8 mol itrija stabilizēts YSZ skābekļa sensors cirkonija keramikas caurulīte ZrO2, viens gals noslēgts mētelis

Itrija-stabilizēta cirkonija (YSZ) ir svarīgs keramikas materiāls. Tas galvenokārt sastāv no cirkonija oksīda ( ZrO₂ ) un itrija oksīda ( Y₂O₃ ). Pievienojot piemērotu daudzumu itrija oksīda cirkonija oksīdam, cirkonija oksīds var veidot stabili kubisko un tetragonālo kristālfāzi istabas temperatūrā. YSZ ar 8 mol% Y₂O₃  var veidot pilnīgi kubisku kristālfāzi istabas temperatūrā. Kubiskā cirkonija oksīda labā skābekļa jona vadītspēja padara to svarīgu tādās jomās kā cieto oksīdu degvielas elementi un skābekļa sensori, ļaujot skābekļa joniem ātri migrēt materiālā, lai degvielas elementos nodrošinātu efektīvu enerģijas ražošanu vai sensoriem — precīzu skābekļa saturu mērīšanu. Tīrs cirkonija oksīds temperatūras izmaiņu ietekmē piedzīvo fāžu pārejas, taču, pievienojot itrija oksīdu, itrija jonu rādiuss ir līdzīgs cirkonija jonu rādiusam, tāpēc tas var iekļūt cirkonija oksīda režģī, stabilizēt režģa struktūru un nomākt fāžu pārejas atdzišanas laikā, tādējādi novēršot šo fāžu pāreju izraisītās tilpuma izmaiņas un materiāla plaisāšanu.

• Saknes materiāla sagatavošana: 8YSZ pulveris tiek pagatavots, izmantojot ķīmisko kopnogulšņošanas metodi, pēc tam pulveris tiek granulēts ar pulvera izsmidzināšanas sausināšanas metodi, lai nodrošinātu pulvera plūstamību un vienmērīgu daļiņu izmēru.
• Formēšanas process: Galvenokārt izmanto auksto izostatisko presēšanu (spiediens 200–300 MPa), daži precīzie izstrādājumi tiek izgatavoti ar injekcijas liešanu, lai nodrošinātu vienmērīgu zaļās masas blīvumu ( ≥5,8 g/cm³ ³ ).
• Sinterēšanas apstrāde: Sinterē augstā temperatūrā 1550–1650 °C, uzturot 2–4 stundas, ar kontrolētu sildīšanas ātrumu 5 °C/min, lai nodrošinātu pietiekamu graudu izaugsmi bez pārmērīgas sinterēšanas. ℃°C/min ℃)
• Pēcapstrāde un pārbaude: Veic slīpēšanu un polīrēšanu, lai nodrošinātu izmēru precizitāti un virsmas apdarēs kvalitāti. Pirms izstrādājumi tiek nosūtīti no rūpnīcas, tiem jāiztur hermētiskuma pārbaudes ( noplūdes ātrums ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s ), jonu vadītspējas pārbaudes ( ≥0,01 S/cm 850 °C temperatūrā ℃°C līdz 800 °C, 10 cikli) ℃ līdz 1100 ℃ piecas reizes, nesaplaisājot).
• Caurules struktūra: Visvairāk izmantotā dizaina risinājuma pamatā ir „caurules struktūra ar vienu noslēgtu galu“ ( līdzīgi kā analīžu caurule ), kur noslēgtais gals veido jona vadīšanas kodola zonu, bet atvērtais gals paredzēts elektroda izvadei un atsauces gāzes kanāla pieslēgšanai; daži specializēti sensori izmanto divkāršu vai vairākkāršu cauruli, lai apmierinātu vairāku gāzu uzraudzības prasības.

Materiāla īpašības:

• Ugunsizturīgs, augsta siltumvadītspēja.
• Zems izplešanās koeficients.
• Augsta termiskā stabilitāte.
• Ilgstošs kalpošanas laiks, īpaši piemērots ātram atdzišanai un uzsildīšanai.
• Ātra siltumvadītspēja, zems enerģijas patēriņš un samazināts enerģijas patēriņš.
• Iekšējās sienas gaisma, bezlīpīgs pulveris, samazina retzemju elementu polēšanas daudzumu.

Galvenie veiktspējas ieguvumi:

1. Stabila darbības spēja plašā temperatūru diapazonā: Pateicoties 8 mol YSZ lieliskajai termiskajai stabilitātei, cirkonija oksīda sensors var stabili izvadīt datus diapazonā no 400 līdz 1100 °°C un var saglabāt savu strukturālo integritāti pat īslaicīgas augstas temperatūras triecienos līdz 1200 °°C, kas ir daudz vairāk nekā parastajiem skābekļa sensoriem (parastās darbības temperatūras augšējā robeža ir 800 °C).

°C), kaut arī tā jonu vadītspēja zemākās temperatūrās (400–600 °°C) ir zemāka nekā 3 mol YSZ, tomēr, optimizējot elektrodu struktūru (piemēram, porainas platīna elektrodes), tas var apmierināt vidējo un zemo temperatūru scenāriju detekcijas vajadzības un pielāgoties vairākām rūpnieciskām darbības apstākļu prasībām.

2. Ļoti ilgs ciklu dzīves ilgums un uzticamība: 8 mol YSZ cirkonija caurulīšu augstā lūzuma izturība un fāžu pārejas pretestība sensorim ļauj ievērojami uzlabot ciklu stabilitāti atkārtotās temperatūras paaugstināšanās un pazemināšanās ciklos (piemēram, rūpnieciskās degšanas iekārtu palaišanā un apstādināšanā) — pēc testēšanas pēc 150 augstas temperatūras cikliem skābekļa koncentrācijas mērīšanas precizitāte samazinās par mazāk nekā 10 %, kamēr 3 mol YSZ sensora precizitāte tajā pašā laika posmā samazinās par vairāk nekā 25 %; putu struktūras sensora dizainā 8 mol YSZ bāzes skābekļa nesēja cikliskā stabilitāte (OEC) var sasniegt vairāk nekā 90 %, kas ir daudz augstāka par tradicionālo daļiņu sensoru stabilitāti.

3. Pretizstarojuma aizsardzība un precīza detekcija: 8 mol% YSZ keramikas caurules ir ķīmiski neaktīvas, tāpēc tās var izturēt rūpnieciskajos dūmgāzu sastāvdaļu ietekmi — stipro skābju, sārnu, sulfīdu un kausēto putekļu izēšanu, novēršot elektrolīta piesārņojuma izraisītu jutības samazināšanos; vienlaikus cirkonija oksīda keramikas cauruļu virsmas gludums (Ra ≤0.8μ m) samazina piemaisījumu adsorbciju, tādējādi sensora reakcijas ātrums var sasniegt 0,1–0,5 s, detekcijas precizitāte — ±0,1 vol%, bet minimālo pēdējo skābekļa saturu var noteikt pat zem 1 vol%, kas atbilst stingrajiem vides uzraudzības un precīzās rūpnieciskās vadības prasībām.

4. Zems enerģijas patēriņš un pielāgojamības optimizācija: 8 mol% YSZ caurules zemā siltumvadītspēja ( 2,0 W/(m ·K) ) samazina sensora apsildes moduļa enerģijas patēriņu, un, izmantojot daudzslāņu heterogēnu struktūras dizainu (piemēram, kombinējot ar SndC/AO), sensora darba temperatūru var pazemināt par vairāk nekā 200 °C °C , tādējādi papildus samazinot ekspluatācijas izmaksas, vienlaikus nodrošinot detekcijas precizitāti.

Dati: