8 mol Yttria-stabiliseret YSZ-oxygenføler af zirkoniumoxidkeramikrør, ZrO2, med lukket ende, sleeve

Yttria-stabiliseret zirkoniumoxid (YSZ) er et vigtigt keramisk materiale. Det består hovedsageligt af zirkoniumoxid ( ZrO₂ ) og yttriumoxid ( Y₂O₃ ). Ved at tilsætte en passende mængde yttriumoxid til zirkoniumoxid kan zirkoniumoxid danne stabile kubiske og tetragonale krystalstrukturer ved stuetemperatur. YSZ med 8 mol% Y₂O₃  kan danne en fuldt ud kubisk krystalstruktur ved stuetemperatur. Kubisk zirkonia har god iltionledningsevne, hvilket gør den vigtig i områder såsom faststofoxidbrændselsceller og iltfølere, og muliggør hurtig migration af iltioner inden for materialet til effektiv strømproduktion i brændselsceller eller præcis detektering af iltindholdet af følerne. Ren zirkoniumoxid gennemgår faseovergange ved forskellige temperaturer, men efter tilsætning af yttriumoxid, hvis ionradius er lignende den af zirkonium, kan yttrium indtræde i zirkonialatticestrukturen, stabilisere latticestrukturen og undertrykke faseovergangene under afkøling, hvilket dermed forhindrer volumenændringer og materialeknæk forårsaget af disse faseovergange.

• Råmaterialeforberedelse: 8YSZ-pulver fremstilles ved hjælp af den kemiske fældningsmetode, efterfulgt af spraytørregranulering for at sikre pulverets flydeevne og ensartet partikelstørrelse.
• Formningsproces: Bruger primært kold isostatisk presning (tryk 200–300 MPa), mens nogle præcisionsprodukter fremstilles ved injektionsformning for at sikre en ensartet grøn-legemets tæthed ( ≥5,8 g/cm 3 ).
• Sinterbehandling: Sinteres ved en høj temperatur på 1550–1650 ℃, med en holdtid på 2–4 timer og en kontrolleret opvarmningshastighed på 5 ℃/min for at sikre tilstrækkelig kornvækst uden overdreven sintering.
• Efterbehandling og inspektion: Slibning og polering udføres for at sikre dimensionel nøjagtighed og overfladekvalitet. Før produkterne forlader fabrikken, skal de gennemgå tæthedsprøver ( lækkagehastighed ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s ), ionisk ledningsevneprøver ( ≥0,01 S/cm ved 850 ℃), samt termiske chokprøver (cyklusser fra –20 ℃ til 1100 ℃ fem gange uden revner).
• Rørstruktur: Den almindelige designløsning anvender en »rørstruktur med én ende forseglet« ( lignende en reagensglas ), hvor den forseglede ende udgør området for ionledning, og den åbne ende bruges til at føre elektroden ud og tilslutte referencegaskanalen; nogle specialiserede sensorer anvender et dobbeltrør- eller flerrørdesign for at imødegå behovet for overvågning af flere gasser.

Materialeegenskaber:

• Flammebestandig, høj termisk ledningsevne.
• Lav udligningskoefficient.
• Høj termisk stabilitet.
• Lang levetid, især velegnet til hurtig afkøling og opvarmning.
• Hurtig termisk ledningsevne, lav energiforbrug og reduceret energiforbrug.
• Indvendig væglys, ikke-klebende pulver, reducerer mængden af sjældne jordmetaller til polering.

Nøglepræstationsfordele:

1. Stabil driftsevne i et bredt temperaturområde: Ved at bygge på den fremragende termiske stabilitet af 8 mol YSZ kan zirkoniasensoren stabil udgive data i området 400–1100 °°C og kan opretholde sin strukturelle integritet, selv under kortvarig højtemperaturpåvirkning på 1200 °°C – langt over de almindelige iltsensorers kapacitet (deres normale maksimale driftstemperatur er 800 °C).

°C), selvom dens ionledningsevne er lavere end 3 mol YSZ i det lave temperaturområde (400–600 °°C), kan den imidlertid opfylde detektionskravene i mellem- og lavtemperaturscenarier samt tilpasse sig flere industrielle forhold ved optimering af elektrodestrukturen (f.eks. porøse platineelektroder).

2. Ekstremt lang cykluslevetid og pålidelighed: Den høje brudtoughhed og faseovergangsmodstand af 8 mol YSZ-zirkoniarør gør, at sensoren betydeligt forbedrer cyklusstabiliteten ved gentagne temperaturstigninger og -fald (f.eks. ved start og stop af industrielle forbrændingsanlæg) – efter test er oxygenkoncentrationsdetekteringsnøjagtigheden efter 150 højtemperaturcyklusser faldet med mindre end 10 %, mens 3 mol YSZ-sensoren falder med mere end 25 % i samme periode; I sensordesignet med skumstruktur kan den cykliske stabilitet (OEC) af den 8 mol YSZ-baserede oxygenbærer nå mere end 90 %, langt over den traditionelle partikelsensors niveau.

3. Anti-interferens og præcis detektering: 8 mol YSZ-keramikrør er kemisk inerte, hvilket gør dem i stand til at modstå erosion fra stærke syrer, baser, sulfider og smeltet støv i industrielle skorstensgasser og undgå følsomhedsreduktion forårsaget af elektrolytforurening; Samtidig kan den glatte overflade på zirkoniumoxid-keramikrør (Ra ≤0.8μ m) reducere adsorption af urenheder, så sensorens respons tid er så hurtig som 0,1–0,5 s, detekteringsnøjagtigheden kan nå ±0,1 vol. %, og den mindste sporilt iltdetektion kan være under 1 vol. %, hvilket opfylder de strenge krav fra miljøovervågning og præcisionsindustriel kontrol.

4. Lav energiforbrug og tilpasningsoptimering: Den lave varmeledningsevne ( 2,0 W/(m ·K) ) af 8 mol YSZ-røret kan reducere energiforbruget i sensoropvarmningsmodulet, og ved brug af en flerlags heterogen strukturdesign (f.eks. kombination med SndC/AO) kan sensorens driftstemperatur reduceres med mere end 200 °C , hvilket yderligere reducerer driftsomkostningerne, samtidig med at det sikrer detektionsnøjagtigheden.

Data: