8 mol Yttria-stabilisierter YSZ-Sauerstoffsensor aus Zirkonia-Keramikrohr ZrO₂ mit einseitig geschlossenem Mantel

Yttria-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) ist ein wichtiges keramisches Material. Es besteht hauptsächlich aus Zirkoniumoxid ( ZrO₂ ) und Yttriumoxid ( Y₂O₃ ). Durch Zugabe einer geeigneten Menge Yttriumoxid zu Zirkoniumoxid kann Zirkoniumoxid bei Raumtemperatur stabile kubische und tetragonale Kristallphasen bilden. YSZ mit 8 mol-% Y₂O₃  kann bei Raumtemperatur eine vollständig kubische Kristallphase bilden. Kubisches Zirkonia hat eine gute Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit, was es in Bereichen wie festen Oxid-Brennstoffzellen und Sauerstoffsensoren wichtig macht, die eine schnelle Migration von Sauerstoff-Ionen innerhalb des Materials für eine effiziente Stromerzeugung in Brennstoffzellen oder eine genaue Reines Zirkoniumoxid unterliegt bei unterschiedlichen Temperaturen Phasenübergängen, aber nach Hinzufügen von Yttriumoxid ist der Ionenradius von Yttrium dem von Zirkonium ähnlich, wodurch es in das Zirkoniumgitter gelangen, das Gitterwerk stabilisieren und Phasenüberg

• Herstellung von Rohstoffen: 8YSZ-Pulver wird mit der chemischen Mit-Verschlagung hergestellt, gefolgt von einer Sprühtrocknungsgranulation, um die Durchflussfähigkeit des Pulvers und eine gleichmäßige Partikelgröße zu gewährleisten.
• Formgebungsverfahren: Verwendet hauptsächlich kaltes isostatisches Pressen (Druck 200–300 MPa); einige Präzisionsprodukte werden durch Spritzguss hergestellt, um eine gleichmäßige Gründichte des Formlings sicherzustellen ( ≥5,8 g/cm ³ ).
• Sinterbehandlung: Sintern bei hoher Temperatur von 1550–1650 ℃°C unter Haltezeit von 2–4 Stunden und kontrollierter Aufheizrate von 5 ℃°C/min, um ausreichendes Kornwachstum ohne übermäßiges Sintern zu gewährleisten.
• Nachbearbeitung und Prüfung: Schleifen und Polieren erfolgen zur Sicherstellung der Maßgenauigkeit und der Oberflächenbeschaffenheit. Vor Auslieferung müssen die Produkte Dichtheitsprüfungen ( leckrate ≤ 1 × 10⁻⁶ Pa·m³/s ), Ionenleitfähigkeitsprüfungen ( ≥0,01 S/cm bei 850 ℃°C) sowie Thermoschockprüfungen (Zyklen von –20 ℃ bis 1100 ℃ fünfmal ohne Rissbildung).
• Rohrstruktur: Das gängige Design verwendet eine „Rohrstruktur mit einem Ende verschlossen“ ( ähnlich einem Reagenzglas ), wobei das verschlossene Ende als Kernbereich für die Ionenleitung dient und das offene Ende zur Elektrodenausführung sowie zur Verbindung mit dem Referenzgas-Kanal genutzt wird; einige spezialisierte Sensoren verwenden ein Doppelrohr- oder Mehrrohr-Design, um die Anforderungen an die Überwachung mehrerer Gase zu erfüllen.

Materialmerkmale:

• Flammwidrig, hohe Wärmeleitfähigkeit.
• Niedriger Ausdehnungskoeffizient.
• Hohe thermische Stabilität.
• Lange Lebensdauer, besonders geeignet für schnelles Abkühlen und Aufheizen.
• Schnelle Wärmeleitung, geringer Energieverbrauch und reduzierter Energiebedarf.
• Innere Wandlampe, antihaftbeschichtetes Pulver, reduziert die Menge an Seltenerd-Poliermittel.

Wichtige Leistungsvorteile:

1. Stabile Betriebsfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich: Dank der hervorragenden thermischen Stabilität von 8 mol YSZ kann der Zirkonoxid-Sensor im Bereich von 400–1100 °C stabil Daten ausgeben °Und seine strukturelle Integrität sogar bei kurzzeitigen Hochtemperaturstößen bis 1200 °C bewahren, was deutlich über der oberen Grenze der normalen Betriebstemperatur herkömmlicher Sauerstoffsensoren liegt (800 °C) °. °C).

Obwohl seine ionische Leitfähigkeit im Niedertemperaturbereich (400–600 °C) geringer ist als die von 3 mol YSZ, °Kann er durch Optimierung der Elektrodenstruktur (z. B. poröse Platin-Elektroden) die Erfordernisse für Messungen bei mittleren und niedrigen Temperaturen erfüllen und sich an eine breitere Palette industrieller Bedingungen anpassen.

2. Ultra-lange Zykluslebensdauer und Zuverlässigkeit: Die hohe Bruchzähigkeit und die hohe Widerstandsfähigkeit gegen Phasenübergänge der Zirkonoxid-Rohre aus 8 mol-% YSZ verleihen dem Sensor eine deutlich verbesserte Zyklusstabilität bei wiederholten Temperaturwechseln (z. B. beim Anfahren und Abschalten industrieller Verbrennungsanlagen). Nach Tests verringert sich nach 150 Hochtemperaturzyklen die Genauigkeit der Sauerstoffkonzentrationsmessung um weniger als 10 %, während bei einem Sensor mit 3 mol-% YSZ die Abnahme in derselben Zeit mehr als 25 % beträgt. Bei der Sensorkonstruktion mit Schaumstruktur kann die zyklische Stabilität (OEC) des auf 8 mol-% YSZ basierenden Sauerstoffträgers über 90 % erreichen – weit mehr als bei herkömmlichen Partikelsensoren.

3. Störfestigkeit und präzise Detektion: Keramikrohre aus 8 mol-% YSZ sind chemisch inert und widerstehen daher der Erosion durch starke Säuren, Laugen, Sulfide und geschmolzenen Staub in industriellen Rauchgasen; dadurch wird eine Sensitivitätsminderung infolge von Elektrolytverschmutzung vermieden. Gleichzeitig ermöglicht die hohe Oberflächenglätte der Zirkonoxid-Keramikrohre (Ra ≤0.8μ m) eine geringere Adsorption von Verunreinigungen, sodass die Ansprechgeschwindigkeit des Sensors bis zu 0,1–0,5 s beträgt, die Detektionsgenauigkeit 0,1 Vol.% erreicht ±und der minimale nachweisbare Spurensauerstoffgehalt unter 1 Vol.% liegt – was den strengen Anforderungen der Umweltüberwachung und der präzisen industriellen Regelung entspricht.

4. Geringer Energieverbrauch und Optimierung der Anpassungsfähigkeit: Die niedrige Wärmeleitfähigkeit ( 2,0 W/(m ··K) ) des 8 mol-%-YSZ-Rohrs senkt den Energieverbrauch des Sensor-Heizmoduls; zudem ermöglicht die mehrschichtige heterogene Struktur (z. B. durch Kombination mit SndC/AO), dass die Betriebstemperatur des Sensors um mehr als 200 °C gesenkt wird. °C , wodurch die Betriebskosten weiter gesenkt und gleichzeitig die Erkennungsgenauigkeit sichergestellt werden.

Daten: