8 mol tlenku itru stabilizowana sonda tlenu z ceramiki cyrkonowej (YSZ), rura cyrkonowa ZrO₂ z zamkniętym jednym końcem, rękaw

Stabilizowana itriem cyrkonii (YSZ) jest ważnym materiałem ceramicznym. Składa się głównie z tlenku cyrkonu ( ZrO₂ ) i tlenku itru ( Y₂O₃ ). Poprzez dodanie odpowiedniej ilości tlenku itru do tlenku cyrkonu cyrkonii można uzyskać stabilne fazy krystaliczne: sześcienną i tetragonalną w temperaturze pokojowej. YSZ o zawartości 8 mol% Y₂O₃  może tworzyć w pełni sześcienną fazę krystaliczną w temperaturze pokojowej. Cyrkonia sześcienna charakteryzuje się dobrą przewodnością jonów tlenu, co czyni ją ważnym materiałem w takich dziedzinach jak ogniwa paliwowe z tlenkowym elektrolitem stałym oraz czujniki tlenu, umożliwiając szybkie przemieszczanie się jonów tlenu w obrębie materiału w celu efektywnej generacji energii w ogniwach paliwowych lub dokładnego wykrywania zawartości tlenu przez czujniki. Czysty tlenek cyrkonu ulega przejściom fazowym w różnych temperaturach, jednak po dodaniu tlenku itru – którego promień jonowy jest podobny do promienia jonowego cyrkonu – itr może wchodzić do sieci krystalicznej cyrkoni, stabilizując jej strukturę i hamując przejścia fazowe podczas schładzania, co zapobiega zmianom objętości oraz pękaniom materiału spowodowanym tymi przejściami fazowymi.

• Przygotowanie surowca: proszek 8YSZ przygotowuje się metodą chemicznego współstrącania, a następnie przeprowadza się granulację przez suszenie rozpyłowe, aby zapewnić odpływowość proszku oraz jednorodny rozmiar cząstek.
• Proces formowania: Głównie stosuje się zimne prasowanie izostatyczne (ciśnienie 200–300 MPa), przy czym niektóre wyroby precyzyjne wytwarza się metodą wtryskiwania, aby zapewnić jednorodną gęstość surowego ciała ( ≥5,8 g/cm 3 ).
• Obróbka spiekowa: Spiekanie przeprowadza się w wysokiej temperaturze 1550–1650 ℃°C przez 2–4 godziny przy kontrolowanej szybkości nagrzewania wynoszącej 5 ℃°C/min, aby zapewnić wystarczający wzrost ziaren bez nadmiernego spiekania.
• Obróbka końcowa i kontrola jakości: Przeprowadza się szlifowanie i polerowanie w celu zagwarantowania dokładności wymiarowej oraz jakości powierzchni. Przed opuszczeniem zakładu produkty muszą przejść testy szczelności ( szybkość przecieku ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s ), testy przewodności jonowej ( ≥0,01 S/cm w temperaturze 850 ℃°C) oraz testy udarności cieplnej (cykle od –20 ℃ do 1100 ℃ pięć razy bez pęknięć).
• Konstrukcja rurkowa: dominującym rozwiązaniem projektowym jest „konstrukcja rurkowa z jednym zamkniętym końcem" ( podobna do probówki ), przy czym zamknięty koniec stanowi obszar rdzeniowy przewodzenia jonów, a otwarty koniec służy do wyprowadzenia elektrody oraz połączenia z kanałem gazu odniesienia; niektóre specjalizowane czujniki wykorzystują konstrukcję podwójnej lub wielokrotnej rurki, aby spełnić wymagania związane z jednoczesnym monitorowaniem wielu gazów.

Charakterystyka materiału:

• Odporność na płomień oraz wysoka przewodność cieplna.
• Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej.
• Wysoka stabilność cieplna.
• Długa żywotność, szczególnie odpowiednia do szybkich cykli ochładzania i nagrzewania.
• Szybka przewodność cieplna, niskie zużycie energii oraz obniżone zużycie energii.
• Światło wewnętrzne ściany, powłoka nieprzywierająca, zmniejsza ilość rzadkich ziem używanych do polerowania.

Główne korzyści eksploatacyjne:

1. Stabilna zdolność pracy w szerokim zakresie temperatur: Dzięki doskonałej stabilności termicznej 8mol YSZ czujnik cyrkonowy może stabilnie przekazywać dane w zakresie temperatur od 400 do 1100 °°C i zachowuje integralność strukturalną nawet przy krótkotrwałym udarze wysokiej temperatury wynoszącym 1200 °°C, co znacznie przekracza możliwości zwykłych czujników tlenu (górny limit normalnej temperatury pracy to 800 °C).

°C), choć jego przewodnictwo jonowe jest niższe niż u 3mol YSZ w niskotemperaturowym zakresie (400–600 °°C), umożliwia on jednak spełnienie wymagań detekcyjnych w scenariuszach średnio- i niskotemperaturowych oraz dostosowanie się do szerszego spektrum warunków przemysłowych dzięki zoptymalizowaniu struktury elektrody (np. elektrod platynowych o strukturze porowatej).

2. Nadzwyczaj długa trwałość cyklu i niezawodność: Wysoka odporność na pękanie oraz odporność na przejścia fazowe rurek z cyrkonii YSZ o stężeniu 8 mol sprawiają, że czujnik znacznie poprawia stabilność cyklu w warunkach powtarzających się zmian temperatury (np. podczas uruchamiania i zatrzymywania przemysłowego sprzętu spalającego) – po przeprowadzeniu testów stwierdzono, że po 150 cyklach wysokotemperaturowych dokładność wykrywania stężenia tlenu ulega tłumieniu o mniej niż 10%, podczas gdy u czujnika z cyrkonii YSZ o stężeniu 3 mol tłumienie to przekracza 25% w tym samym okresie; w konstrukcji czujnika o strukturze piankowej cykliczna stabilność (OEC) nośnika tlenu na bazie YSZ o stężeniu 8 mol może osiągać ponad 90%, co znacznie przewyższa stabilność tradycyjnych czujników opartych na cząstkach.

3. Odporność na zakłócenia i dokładne wykrywanie: Ceramika z tlenku cyrkonu (YSZ) o stężeniu 8 mol% jest chemicznie obojętna, co pozwala jej odpierać erozję wywoływaną przez silne kwasy, zasady, siarczki oraz pył topiony obecny w przemysłowych gazach odlotowych, zapobiegając jednocześnie obniżeniu czułości spowodowanemu zanieczyszczeniem elektrolitu; równocześnie gładkość powierzchni rurek ceramiki z tlenku cyrkonu (Ra ≤0.8μ m) ogranicza adsorpcję zanieczyszczeń, dzięki czemu czas odpowiedzi czujnika wynosi zaledwie 0,1–0,5 s, dokładność pomiaru osiąga poziom ±0,1 obj.%, a minimalna wykrywalna ilość tlenu śladowego może być niższa niż 1 obj.%, co spełnia rygorystyczne wymagania monitoringu środowiskowego oraz precyzyjnej kontroli przemysłowej.

4. Niskie zużycie energii i optymalizacja adaptacyjności: Niski współczynnik przewodnictwa cieplnego ( 2,0 W/(m ··K) ) rurki YSZ o stężeniu 8 mol% pozwala zmniejszyć zużycie energii przez moduł grzewczy czujnika, a dzięki wielowarstwowemu, heterogenicznemu projektowi struktury (np. kompozyt z SndC/AO) temperaturę pracy czujnika można obniżyć o ponad 200 °C , co daje dalsze obniżenie kosztów eksploatacji przy jednoczesnym zapewnieniu dokładności wykrywania.

Dane: