8 mol ittrio stabilizuotas YSZ deguonies jutiklis iš cirkonio oksido keraminė vamzdelio formos dalis ZrO₂, vienas galas uždarytas apvalkalas

Ittrio stabilizuotas cirkonis (YSZ) yra svarbus keraminis medžiagų tipas. Jis pagrindiniame savo sudėtyje susideda iš cirkonio oksido ( ZrO₂ ) ir ittrio oksido ( Y₂O₃ ). Pridėjus tinkamą kiekį ittrio oksido prie cirkonio oksido, cirkonis gali susidaryti stabiliuosius kubinį ir tetragonalinį kristalų fazes kambario temperatūroje. 8 mol% YSZ Y₂O₃  gali sudaryti visiškai kubinę kristalinę fazę kambario temperatūroje. Kubinė cirkonija turi gerą deguonies jonų laidumą, todėl ji yra svarbi tokiose srityse kaip kietųjų oksidų degalų elementai ir deguonies jutikliai, leidžiantys deguonies jonams greitai migruoti medžiagoje – efektyviai generuojant energiją degalų elementuose ar tiksliai nustatant deguonies kiekį jutikliuose. Grynasis cirkonio oksidas temperatūros pokyčių metu patiria fazių perėjimus, tačiau pridedus itrio oksidą, kurio jonų spindulys panašus į cirkonio jonų spindulį, itris gali įeiti į cirkonijos gardelę, stabilizuoti gardelės struktūrą ir slopinti fazių perėjimus auštant, taip užkertant kelią tūrio pokyčiams ir medžiagos įtrūkimams, kurie kyla dėl šių fazių perėjimų.

• Žaliavų paruošimas: 8YSZ milteliai paruošiami naudojant cheminį bendrą nuosėdų metodą, po to – purškiamoji džiovinimo granuliavimo procedūra, kad būtų užtikrintas miltelių tekėjimas ir vienodas dalelių dydis.
• Formavimo procesas: Pagrindinis naudojamas šaltasis izostatinis presavimas (slėgis 200–300 MPa), kai kuriems tiksliesiems gaminiams naudojamas injekcinis liejimas, kad būtų užtikrinta vienoda žaliųjų gaminių tankio vienodumas ( ≥5,8 g/cm ³ ).
• Kaitinimo apdorojimas: Kaitinama aukštoje temperatūroje – 1550–1650 ℃, išlaikant 2–4 valandas, su kontroliuojamu kaitinimo greičiu 5 ℃/min, kad būtų užtikrintas pakankamas grūdelių augimas be per didelio kaitinimo.
• Papildomas apdorojimas ir patikrinimas: Atliekamas šlifavimas ir poliravimas, kad būtų užtikrintos matmenų tikslumas ir paviršiaus baigiamasis apdorojimas. Prieš išleidžiant gaminius iš gamyklos, jie privalo išlaikyti sandarumo bandymus ( nutekėjimo norma ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s ), joninės laidumo bandymus ( ≥0,01 S/cm esant 850 ℃), bei šiluminio smūgio bandymus (ciklai nuo –20 ℃ iki 1100 ℃ penkis kartus be įtrūkimų).
• Vamzdinė konstrukcija: pagrindinė projektavimo schema yra „vamzdinė konstrukcija su vienu užsandarintu galu“ ( panaši į mėgintuvėlį ), kur užsandarintas galas tarnauja kaip jonų laidumo branduolio sritis, o atviras galas naudojamas išvesti elektrodą ir prijungti nuorodinės dujų kanalą; kai kurie specializuoti jutikliai naudoja dvigubos arba daugiau vamzdžių konstrukciją, kad būtų patenkintos daugiau dujų stebėjimo reikmės.

Medžiagos savybės:

• Ugniai atsparus, aukštas šilumos laidumas.
• Žemas plėtimosi koeficientas.
• Aukšta šiluminė stabilumas.
• Ilga tarnavimo trukmė, ypač tinkamas greitam atšaldymui ir pašildymui.
• Greitas šilumos perdavimas, maža energijos sąnauda ir sumažintos energijos sąnaudos.
• Vidinės sienos šviestuvas, be priklijuojančios dulkės, sumažina retųjų žemių šlifavimo kiekį.

Pagrindiniai naudingi efekto aspektai:

1. Stabili darbo galia plačiame temperatūrų diapazone: remiantis puikiu 8 mol YSZ šiluminiu stabilumu, cirkonio oksido jutiklis gali stabiliai perduoti duomenis 400–1100 °C temperatūrų diapazone ir išlaikyti savo struktūrinę vientisumą net trumpalaikiuose 1200 °C temperatūros smūgiuose, kuris daug viršija įprastų deguonies jutiklių ribas (normalaus veikimo temperatūros viršutinė riba yra 800 °C). °C, ir gali išlaikyti savo struktūrinę vientisumą net trumpalaikiuose 1200 °C temperatūros smūgiuose, kuris daug viršija įprastų deguonies jutiklių ribas (normalaus veikimo temperatūros viršutinė riba yra 800 °C). °C), kuris daug viršija įprastų deguonies jutiklių ribas (normalaus veikimo temperatūros viršutinė riba yra 800 °C). °C).

Nors jo joninė laidumas žemesnės temperatūros diapazone (400–600 °C) yra žemesnis nei 3 mol YSZ, jis vis tiek tenkina vidutinės ir žemos temperatūros sąlygų aptikimo reikalavimus ir prisitaiko prie įvairesnių pramoninių sąlygų, optimizuojant elektrodų struktūrą (pvz., porėtus platino elektrodus). °Nors jo joninė laidumas žemesnės temperatūros diapazone (400–600 °C) yra žemesnis nei 3 mol YSZ, jis vis tiek tenkina vidutinės ir žemos temperatūros sąlygų aptikimo reikalavimus ir prisitaiko prie įvairesnių pramoninių sąlygų, optimizuojant elektrodų struktūrą (pvz., porėtus platino elektrodus).

2. Ypač ilgas ciklinis tarnavimo laikas ir patikimumas: 8 mol YSZ cirkonio dioksido vamzdžių didelė lūžio atsparumas ir fazių perėjimo atsparumas leidžia reikšmingai pagerinti jutiklio ciklinę stabilumą pakartotiniais temperatūros kilimais ir kritimais (pvz., pramoninių degimo įrenginių paleidimuose ir sustabdymuose) – bandymų metu nustatyta, kad po 150 aukštos temperatūros ciklų deguonies koncentracijos matavimo tikslumas sumažėja mažiau nei 10 %, tuo tarpu 3 mol YSZ jutiklio tikslumas tokiomis pačiomis sąlygomis sumažėja daugiau nei 25 %; putų struktūros jutiklio projekte 8 mol YSZ pagrindo deguonies nešiklio ciklinė stabilumas (OEC) gali pasiekti daugiau nei 90 %, kur kas viršydamas tradicinių dalelių jutiklių rodiklius.

3. Prieštrėmimo ir tikslaus aptikimo funkcijos: 8 mol YSZ keraminės vamzdelių sistemos yra chemiškai inertinės, todėl gali atlaikyti stiprių rūgščių, šarmų, sulfidų ir ištopytų dulkių poveikį pramoniniuose dūmuose ir išvengti elektrolito užteršimo sukeltos jautrumo mažėjimo; tuo pačiu metu cirkonio oksido keraminio vamzdelio paviršiaus lygumas (Ra ≤0.8μ m) sumažina priemaišų adsorbciją, todėl jutiklio reakcijos laikas gali būti tiek greitas kaip 0,1–0,5 s, aptikimo tikslumas siekia ±0,1 tūrio %, o mažiausias aptinkamas deguonies kiekis gali būti žemesnis nei 1 tūrio %, atitinkant griežtus aplinkos stebėjimo ir tikslaus pramoninio valdymo reikalavimus.

4. Maža energijos suvartojimo norma ir pritaikymo optimizavimas: 8 mol YSZ vamzdelio žema šilumos laidumas ( 2,0 W/(m ·K) ) leidžia sumažinti jutiklio šildymo modulio energijos suvartojimą, o daugiasluoksnė heterogeninė konstrukcija (pvz., komponuota su SndC/AO) leidžia sumažinti jutiklio darbo temperatūrą daugiau kaip 200 °C , taip dar labiau sumažinant eksploatacijos išlaidas, kartu užtikrinant aptikimo tikslumą.

Duomenys: