צינור חומר קרמי זירקוניה לחיישן חמצן עם יציב יטריה 8 מול, צינור קרמי זירקוניה (ZrO2) עם קצה אחד סגור

צירקוניה מיציבת-איטריה (YSZ) היא חומר קרמי חשוב. היא מורכבת בעיקר מדיאוקסיד הצירקוניום ( ZrO₂ ) ואוקسيد האיטריום ( Y₂O₃ ). על ידי הוספת כמות מתאימה של אוקسيد איטריום לדיאוקסיד הצירקוניום, ניתן לגרום לצירקוניה להרכיב פאזות גבישיות יציבות – קוביות וטטרגונליות – בטמפרטורת החדר. YSZ עם 8 מול % Y₂O₃  יכול ליצור שלב קריסטלי קובייתי מלא בטמפרטורת החדר. הצירקוניה הקובייתית מציעה מוליכות טובה ליוני חמצן, מה שהופך אותה לחשובה בתחומים כגון תאי דלק חומצי מוצקים וחיישני חמצן, ומאפשרת נדידה מהירה של יוני חמצן בתוך החומר לצורך ייצור יעיל של אנרגיה בתאי הדלק או זיהוי מדויק של ריכוז החמצן על ידי החיישנים. אוקסיד הצירקוניום הטהור עובר מעברי פאזה בטמפרטורות שונות, אך לאחר הוספת אוקסיד האיטריום, שרדיו היוני של האיטריום דומה לזה של הצירקוניום, הוא יכול להיכנס לרשת البلורית של הצירקוניה, ליצב את מבנה הרשת ולứcף את מעברי הפאזה בעת התקררות, ובכך למנוע שינויים בנפח ובקיעות החומר הנובעים ממעברי הפאזה הללו.

• הכנה של חומר גולמי: אבקת 8YSZ מוכנת בשיטת השיקוע המשותף הכימי, ולאחר מכן מתבצעת גרנולציה באמצעות ייבוש באדים כדי להבטיח זרימה טובה של האבקה וגודל חלקיקים אחיד.
• תהליך הרכבה: משתמש בעיקר בדחיסה קרה איזוסטטית (לחץ 200–300 MPa), וחלק מהמוצרים המדויקים מיוצרים באמצעות יציקה בזרימה כדי להבטיח צפיפות אחידה של הגוף הירוק ( ≥5.8 גרם/סמ‏³ ³ ).
• טיפול בסינטיר: מבוצע בטמפרטורה גבוהה של 1550–1650 ℃‏°C, עם השהיה למשך 2–4 שעות, ובקצב חימום מבוקר של 5 ℃‏°C/דקה, כדי להבטיח צמיחה מספקת של הגבישים ללא סינטיר מופרז.
• עיבוד לאחר הסינטיר ובקרת איכות: מבוצעים שיפוץ ורבעון כדי להבטיח דיוק ממדי ומראה שטח ייחודי. לפני יציאת המוצרים מהמפעל, הם חייבים לעבור בדיקות איטמות ( שכיחות דליפה ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/שנ' ), בדיקות מוליכות יונית ( ≥0.01 S/ס"מ ב-850 ℃‏°C), ובדיקות התנגדות לשינויי טמפרטורה פתאומיים (מחזורים מ-20- ℃ עד 1100 ℃ חמש פעמים ללא התפצלות).
• מבנה צינור: העיצוב הנפוץ מאמץ 'מבנה צינור עם קצה אחד סגור' ( בדומה לצינור ניסוי ), כאשר הקצה הסגור משמש כאזור הליבה להולכת יונים והקצה הפתוח משמש להוצאת האלקטרודה ולחיבור לערוץ הגז المرجعي; חלק מהחיישנים המיוחדים משתמשים בעיצוב דו-צינורי או רב-צינורי כדי להתאים את הצרכים של מערכות ניטור גזים מרובים.

מאפייני החומר:

• עמידות בפני להבה, מוליכות תרמית גבוהה.
• מקדם התפשטות נמוך.
• יציבות תרמית גבוהה.
• אורך חיים ארוך, במיוחד מתאים לסיבובים מהירים של קירור וחימום.
• מוליכות תרמית מהירה, צריכת אנרגיה נמוכה וצמצום צריכה של אנרגיה.
• מנורת קיר פנימית, אבקה לא דביקה, מפחיתה את כמות הפולישה של יסודות נדירים.

יתרונות ביצועים עיקריים:

1. יכולת עבודה יציבה בטווח רחב של טמפרטורות: בהתבסס על היציבות התרמית המمتازة של YSZ 8 מול, חיישן הצירקוניה יכול לספק נתוני יציבות בטווח של 400–1100 °מֵרַחֶף, ויכול לשמור על שלמות המבנית שלו גם תחת השפעת חום קצרת-טווח של 1200 °מֵרַחֶף, מה שמעל בהרבה את גבול הטמפרטורה הגבוה ביותר של חיישני חמצן רגילים (הגבול העליון לטמפרטורת הפעולה הרגילה הוא 800 °C).

מֵרַחֶף), אף על פי שהמוליכות היונית שלו נמוכה יותר מאשר זו של YSZ 3 מול בטווח הטמפרטורות הנמוך (400–600 °מֵרַחֶף), הוא מספק את צורכי האיתור בתרחישים בטמפרטורות בינוניות ונמוכות ומסתגל לתנאי תעשייה מגוונים יותר באמצעות אופטימיזציה של מבנה האלקטרודה (למשל, אלקטרודות פלטינה פרומניות).

2. חיים מחזוריים אולטרה-ארוכים ואמינות: עמידות גבוהה לשבירה ועמידות גבוהה למעבר פאזה של צינורות זירקוניה מסוג 8mol YSZ מגבירות באופן משמעותי את יציבות המחזור של החיישן במחזורים חוזרים של עליה ויורדת בטמפרטורה (למשל, הפעלה והשהייה של ציוד בעירה תעשייתי) – לאחר בדיקות, לאחר 150 מחזורי טמפרטורה גבוהים, דיוק זיהוי ריכוז החמצן נחלש בפחות מ-10%, בעוד שחיישן מסוג 3mol YSZ נחלש ביותר מ-25% באותה תקופה; בעיצוב חיישן עם מבנה קצף, יציבות המחזור (OEC) של נושא החמצן הבסיסי מסוג 8mol YSZ יכולה להגיע ליותר מ-90%, מה שמעל בהרבה את זה של חיישנים מסורתיים המבוססים על חלקיקים.

3. ניגוד לבלאות ותפיסה מדויקת: צינורות קרמיים מסוג YSZ בריכוז 8 מול הם חסינים כימית, מה שמאפשר להם להתנגד לפגיעות של חומצות חזקות,בסיסים, גופרים ועפרות נמסות בגזים תעשייתיים מעשנים, ולמנוע ירידה ברגישות הנגרמת על ידי זיהום האלקטרוליט; במקביל, החרוטיות הפנים של הצינורות הקרמיים של הזירקוניה (Ra ≤0.8μ מ) יכולה להפחית את הספיגה של זרבים, כך שמהירות התגובה של החיישן היא מהירה כ-0.1–0.5 שניות, דיוק התפיסה יכול להגיע ל- ±0.1% נפח, והכמות המינימלית של חמצן שניתן למדוד היא מתחת ל-1% נפח, מה שמתאים לדרישות הקפדניות של ניטור סביבתי ובקרת תהליכים תעשייתית מדויקת.

4. צריכת אנרגיה נמוכה ואופטימיזציה של התאמה: מוליכות החום הנמוכה ( 2.0 וואט/(מטר ·קלווין) ) של הצינור הקרמי YSZ בריכוז 8 מול יכולה למזער את צריכת האנרגיה של מודול החימום של החיישן, ובשילוב עם העיצוב הרב-שכבתי ההטרוגני (למשל שילוב עם SndC/AO), ניתן לרדת בטמפרטורת הפעולה של החיישן ביותר מ-200 °C , מה שמפחית עוד יותר את עלות הפעלה תוך הבטחת דיוק זיהוי.

נתונים: