sensore di ossigeno in ceramica allo zirconio (YSZ) stabilizzato con l'8 mol di ittria, tubo in ZrO₂ con una estremità chiusa

Lo zirconio stabilizzato con ittria (YSZ) è un materiale ceramico importante. È composto principalmente da ossido di zirconio ( ZrO₂ ) e ossido di ittrio ( Y₂O₃ ). Aggiungendo una quantità appropriata di ossido di ittrio all'ossido di zirconio, lo zirconio può formare fasi cristalline cubiche e tetragonali stabili a temperatura ambiente. L'YSZ all'8 mol% Y₂O₃  può formare una fase cristallina completamente cubica a temperatura ambiente. La zirconia cubica presenta una buona conducibilità ionica per gli ioni ossigeno, rendendola importante in settori quali le celle a combustibile a ossido solido e i sensori di ossigeno, consentendo la rapida migrazione degli ioni ossigeno all’interno del materiale per una generazione efficiente di energia nelle celle a combustibile o per un rilevamento accurato del contenuto di ossigeno da parte dei sensori. L’ossido di zirconio puro subisce transizioni di fase a diverse temperature, ma dopo l’aggiunta di ossido di ittrio, il raggio ionico dell’ittrio è simile a quello dello zirconio, permettendo all’ittrio di inserirsi nel reticolo della zirconia, stabilizzando così la struttura reticolare e sopprimendo le transizioni di fase durante il raffreddamento, prevenendo pertanto le variazioni di volume e la formazione di crepe nel materiale causate da tali transizioni di fase.

• Preparazione della materia prima: la polvere 8YSZ viene preparata mediante il metodo chimico di co-precipitazione, seguito da granulazione mediante essiccazione a spruzzo per garantire la scorrevolezza della polvere e una dimensione uniforme delle particelle.
• Processo di formatura: utilizza principalmente la pressatura isostatica a freddo (pressione 200-300 MPa), con alcuni prodotti di precisione realizzati mediante stampaggio ad iniezione per garantire una densità uniforme del corpo verde ( ≥5,8 g/cm 3 - - ).
• Trattamento di sinterizzazione: sinterizzato a elevata temperatura (1550-1650 ℃, con mantenimento per 2-4 ore e velocità di riscaldamento controllata di 5 ℃/min, per garantire una crescita sufficiente dei grani senza sinterizzazione eccessiva.
• Lavorazione successiva e ispezione: vengono eseguiti rettifica e lucidatura per garantire precisione dimensionale e finitura superficiale. Prima della spedizione, i prodotti devono superare i test di tenuta all’aria ( tasso di perdita ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s ), i test di conducibilità ionica ( ≥0,01 S/cm a 850 ℃), e i test di shock termico (cicli da -20 ℃ fino a 1100 ℃ cinque volte senza crepature).
• Struttura tubolare: il design principale adotta una «struttura tubolare con un’estremità sigillata» ( simile a una provetta ), in cui l’estremità sigillata funge da area centrale per la conduzione ionica, mentre l’estremità aperta viene utilizzata per estrarre l’elettrodo e collegare il canale del gas di riferimento; alcuni sensori specializzati impiegano una struttura a doppio tubo o a multi-tubo per soddisfare le esigenze di monitoraggio di più gas.

Caratteristiche del materiale:

• Resistenza alla fiamma, elevata conducibilità termica.
• Basso coefficiente di espansione.
• Elevata stabilità termica.
• Lunga durata operativa, particolarmente adatta a cicli rapidi di raffreddamento e riscaldamento.
• Elevata conducibilità termica, basso consumo energetico e riduzione del consumo energetico.
• Luce per parete interna, rivestimento antiaderente in polvere, riduce la quantità di lucidatura con terre rare.

Principali benefici in termini di prestazioni:

1. Affidabilità operativa stabile su un ampio intervallo di temperature: grazie all'eccellente stabilità termica dell'YSZ all'8 mol%, il sensore in zirconia può fornire dati stabili nell'intervallo da 400 a 1100 °°C e può mantenere la propria integrità strutturale anche in caso di shock termici a breve termine a 1200 °°C, superando di gran lunga i comuni sensori di ossigeno (il limite superiore della temperatura di funzionamento normale è di 800 °C).

°C), sebbene la sua conduttività ionica sia inferiore a quella dell'YSZ al 3 mol% nel campo di basse temperature (400–600 °°C), essa soddisfa comunque le esigenze di rilevamento negli scenari a media e bassa temperatura e si adatta a condizioni industriali più ampie grazie all'ottimizzazione della struttura degli elettrodi (ad esempio elettrodi di platino porosi).

2. Vita utile ultra-lunga e affidabilità: L’elevata tenacità alla frattura e la resistenza alle transizioni di fase dei tubi in zirconia 8mol YSZ rendono il sensore significativamente più stabile nei cicli ripetuti di aumento e diminuzione della temperatura (ad esempio, nell’avviamento e nell’arresto di apparecchiature industriali per la combustione): dopo i test, a seguito di 150 cicli ad alta temperatura, l’accuratezza nella rilevazione della concentrazione di ossigeno si attenua di meno del 10%, mentre per il sensore a base di YSZ 3mol l’attenuazione supera il 25% nello stesso periodo; nella progettazione del sensore a struttura schiumosa, la stabilità ciclica (OEC) del trasportatore di ossigeno basato su YSZ 8mol può raggiungere oltre il 90%, superando di gran lunga quella dei tradizionali sensori a particelle.

3. Anti-interferenza e rilevamento preciso: i tubi ceramici YSZ all’8 mol% sono chimicamente inerti, il che consente loro di resistere all’erosione causata da acidi forti, basi, solfuri e polveri fuse presenti nei fumi industriali, evitando la riduzione della sensibilità dovuta alla contaminazione dell’elettrolita; allo stesso tempo, la levigatezza superficiale dei tubi ceramici allo zirconio (Ra ≤0.8μ m) riduce l’adsorbimento di impurità, consentendo una velocità di risposta del sensore pari a 0,1–0,5 s, un’accuratezza di rilevamento fino a ±0,1 vol% e la possibilità di rilevare contenuti di ossigeno in tracce inferiori a 1 vol%, soddisfacendo così i rigorosi requisiti del monitoraggio ambientale e del controllo industriale di precisione.

4. Basso consumo energetico e ottimizzazione dell’adattabilità: la bassa conducibilità termica ( 2,0 W/(m ·K) ) del tubo YSZ all’8 mol% riduce il consumo energetico del modulo di riscaldamento del sensore; inoltre, grazie alla progettazione strutturale multistrato eterogenea (ad esempio, combinata con SndC/AO), la temperatura di funzionamento del sensore può essere ridotta di oltre 200 °C , riducendo ulteriormente i costi operativi pur garantendo l’accuratezza del rilevamento.

Dati: