سنسور اکسیژن سرامیکی زیرکونیا با پایدارسازی ۸ مول ایتریا (YSZ)، لوله سرامیکی زیرکونیا با انتهای بسته، غلاف

اکسید زیرکونیوم تثبیت‌شده با ایتریا (YSZ) یک ماده سرامیکی مهم است. این ماده عمدتاً از اکسید زیرکونیوم ( ZrO₂ ) و اکسید ایتریوم ( Y₂O₃ ) تشکیل شده است. با افزودن مقدار مناسبی اکسید ایتریوم به اکسید زیرکونیوم، زیرکونیوم اکسید می‌تواند فازهای بلوری مکعبی و چهاروجهی پایدار را در دمای اتاق تشکیل دهد. YSZ با غلظت ۸ مولی Y₂O₃  می‌تواند در دمای اتاق فاز کریستالی کاملاً مکعبی را تشکیل دهد. زیرکونیای مکعبی هدایت‌پذیری خوبی نسبت به یون‌های اکسیژن دارد، بنابراین در زمینه‌هایی مانند سلول‌های سوختی اکسید جامد و سنسورهای اکسیژن اهمیت دارد؛ این ویژگی امکان مهاجرت سریع یون‌های اکسیژن درون ماده را فراهم می‌کند تا در سلول‌های سوختی تولید انرژی کارآمد و در سنسورها تشخیص دقیق محتوای اکسیژن امکان‌پذیر شود. اکسید زیرکونیوم خالص در دماهای مختلف دچار تغییر فاز می‌شود، اما پس از افزودن اکسید ایتریوم، شعاع یونی ایتریوم مشابه شعاع یونی زیرکونیوم است و این امر امکان ورود آن به شبکه زیرکونیا را فراهم می‌کند، ساختار شبکه را پایدار می‌سازد و تغییرات فازی را در حین سرد شدن سرکوب می‌کند؛ در نتیجه تغییرات حجمی و ترک‌خوردگی ماده ناشی از این تغییرات فازی جلوگیری می‌شود.

• آماده‌سازی مواد اولیه: پودر ۸YSZ با استفاده از روش رسوب‌دهی هم‌زمان شیمیایی تهیه می‌شود، سپس برای اطمینان از جریان‌پذیری مناسب پودر و یکنواختی اندازه ذرات، عملیات گرانوله‌سازی با خشک‌کن اسپری انجام می‌شود.
• فرآیند شکل‌دهی: عمدتاً از فرآیند فشار دادن سرد ایزوستاتیک (فشار ۲۰۰ تا ۳۰۰ مگاپاسکال) استفاده می‌شود، در حالی که برخی محصولات دقیق با روش قالب‌گیری تزریقی تولید می‌شوند تا چگالی یکنواخت بدنه خام ( ≥۵٫۸ گرم/سانتی‌متر مکعب ³ ).
• پردازش سینتر: سینتر در دمای بالا بین ۱۵۵۰ تا ۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد ℃°C، به مدت ۲ تا ۴ ساعت و با نرخ گرمایش کنترل‌شده‌ای برابر با ۵ ℃برای اطمینان از رشد کافی دانه‌ها بدون سینتر بیش از حد.
• پردازش پس‌از ساخت و بازرسی: انجام عملیات سوهان‌کاری و صیقل‌دهی برای تضمین دقت ابعادی و کیفیت سطح. قبل از خروج محصولات از کارخانه، این محصولات باید تست‌های نشتی‌بندی (آیرتایت) را با موفقیت پشت سر بگذارند. نرخ نشتی ≤ ۱×۱۰⁻⁶ پاسکال·متر مکعب بر ثانیه )، تست هدایت الکترولیتی یونی ( ≥۰٫۰۱ زیمنس بر سانتی‌متر در دمای ۸۵۰ ℃°C) و تست ضربه حرارتی (چرخه‌های دمایی از ۲۰- ℃ تا ۱۱۰۰ ℃ پنج بار بدون ترک خوردن).
• ساختار لوله‌ای: طراحی رایج از «ساختار لوله‌ای با یک سر مهر و موم‌شده» استفاده می‌کند ( مشابه یک لوله آزمایش ) که سر مهر و موم‌شده به‌عنوان ناحیه اصلی هدایت یونی عمل می‌کند و سر باز برای خروج الکترود و اتصال به کانال گاز مرجع به‌کار می‌رود؛ برخی از سنسورهای تخصصی از طراحی دو لوله‌ای یا چندلوله‌ای برای پاسخگویی به نیازهای نظارت همزمان بر چند گاز استفاده می‌کنند.

ویژگی‌های ماده:

• مقاوم در برابر شعله، هدایت حرارتی بالا.
• ضریب انبساط پایین.
• پایداری حرارتی بالا.
• طول عمر طولانی، به‌ویژه مناسب برای سرد و گرم‌کردن سریع.
• هدایت حرارتی سریع، مصرف انرژی پایین و کاهش مصرف انرژی.
• چراغ دیواری داخلی، پوشش ضدچسب پودری، کاهش مقدار پولیش عناصر کمیاب.

مزایای کلیدی عملکردی:

۱. توانایی کار پایدار در محدوده وسیعی از دماها: با تکیه بر پایداری حرارتی عالی YSZ هشت‌مولی، سنسور زیرکونیا می‌تواند داده‌ها را به‌صورت پایدار در محدوده دمایی ۴۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد خروجی دهد °و حتی در برابر ضربه‌های کوتاه‌مدت دمای بالا تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز یکپارچگی ساختاری خود را حفظ می‌کند، که بسیار فراتر از سنسورهای معمولی اکسیژن است (حداکثر دمای عملیاتی عادی آن‌ها ۸۰۰ °درجه سانتی‌گراد است). °C) عبور کند.

هرچند هدایت یونی آن در محدوده دمای پایین (۴۰۰ تا ۶۰۰ °درجه سانتی‌گراد) پایین‌تر از YSZ سه‌مولی است، اما با بهینه‌سازی ساختار الکترود (مانند الکترودهای پلاتین متخلخل) می‌تواند نیازهای تشخیصی سناریوهای میانی و پایین‌دمایی را برآورده کند و در شرایط صنعتی متنوع‌تری نیز کاربرد داشته باشد.

۲. عمر چرخه‌ای فوق‌العاده طولانی و قابلیت اطمینان بالا: مقاومت بالا در برابر شکست و مقاومت در برابر تغییر فاز لوله‌های زیرکونیای ۸مول YSZ، باعث بهبود قابل توجه پایداری چرخه‌ای سنسور در چرخه‌های مکرر افزایش و کاهش دما (مانند روشن و خاموش شدن تجهیزات احتراق صنعتی) می‌شود — بر اساس آزمایش‌ها، پس از ۱۵۰ چرخه دمای بالا، دقت تشخیص غلظت اکسیژن در این سنسور کمتر از ۱۰٪ کاهش می‌یابد، در حالی که سنسور زیرکونیای ۳مول YSZ در همین دوره بیش از ۲۵٪ کاهش دقت نشان می‌دهد؛ در طراحی سنسور ساختار فومی، پایداری چرخه‌ای (OEC) حامل اکسیژن مبتنی بر زیرکونیای ۸مول YSZ می‌تواند به بیش از ۹۰٪ برسد که این مقدار بسیار بالاتر از سنسورهای سنتی مبتنی بر ذرات است.

۳. مقاومت در برابر تداخل و تشخیص دقیق: لوله‌های سرامیکی YSZ با غلظت ۸ مول از نظر شیمیایی بی‌اثر هستند و می‌توانند در برابر خوردگی اسیدها، بازها، سولفیدها و غبار مذاب موجود در گازهای دودکش صنعتی مقاومت کنند و کاهش حساسیت سنسور ناشی از آلودگی الکترولیت را جلوگیری نمایند؛ همزمان، صافی سطح لوله‌های سرامیکی زیرکونیا (Ra ≤0.8μ میکرومتر) می‌تواند جذب ناخالصی‌ها را کاهش دهد، به‌گونه‌ای که سرعت پاسخ سنسور تا ۰٫۱–۰٫۵ ثانیه برسد، دقت تشخیص تا ۰٫۱ حجمی‌درصد (vol%) دست یابد و حداقل محتوای اکسیژن قابل تشخیص زیر ۱ حجمی‌درصد (vol%) باشد که این امر الزامات سخت‌گیرانه‌ی نظارت محیطی و کنترل صنعتی دقیق را برآورده می‌سازد. ±۰٫۱ حجمی‌درصد (vol%)، و حداقل محتوای اکسیژن قابل تشخیص زیر ۱ حجمی‌درصد (vol%) است که این امر الزامات سخت‌گیرانه‌ی نظارت محیطی و کنترل صنعتی دقیق را برآورده می‌سازد.

۴. مصرف انرژی پایین و بهینه‌سازی سازگردایی: رسانایی حرارتی پایین ( ۲٫۰ وات بر (متر ·کلوین) ) لوله‌ی سرامیکی YSZ با غلظت ۸ مول، مصرف انرژی ماژول گرم‌کننده‌ی سنسور را کاهش می‌دهد و با طراحی ساختار ناهمگن چندلایه (مانند ترکیب با SndC/AO)، دمای عملیاتی سنسور بیش از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. درجه سانتی گراد ، که هزینه‌های عملیاتی را بیشتر کاهش می‌دهد و در عین حال دقت تشخیص را تضمین می‌کند.

داده: