tubo cerâmico de zircônia YSZ estabilizado com 8 mol de ítria para sensor de oxigênio, manga com uma extremidade fechada

A zircônia estabilizada com ítria (YSZ) é um material cerâmico importante. É composta principalmente por óxido de zircônio ( ZrO₂ ) e óxido de ítrio ( Y₂O₃ ). Ao adicionar uma quantidade adequada de óxido de ítrio ao óxido de zircônio, a zircônia pode formar fases cristalinas cúbicas e tetragonais estáveis à temperatura ambiente. A YSZ com 8 mol% Y₂O₃  pode formar uma fase cristalina totalmente cúbica à temperatura ambiente. A zircônia cúbica possui boa condutividade iônica de oxigênio, o que a torna importante em áreas como células a combustível de óxido sólido e sensores de oxigênio, permitindo a migração rápida de íons de oxigênio no interior do material para geração eficiente de energia nas células a combustível ou detecção precisa do teor de oxigênio pelos sensores. O óxido de zircônio puro sofre transições de fase em diferentes temperaturas, mas, após a adição de óxido de ítrio, o raio iônico do ítrio é semelhante ao do zircônio, permitindo que ele entre na rede da zircônia, estabilize a estrutura da rede e suprima as transições de fase durante o resfriamento, evitando assim alterações de volume e fissuração do material causadas por essas transições de fase.

• Preparação da Matéria-Prima: O pó 8YSZ é preparado pelo método químico de co-precipitação, seguido de granulação por secagem por pulverização, para garantir a fluidez do pó e a uniformidade do tamanho das partículas.
• Processo de conformação: Utiliza principalmente prensagem isostática a frio (pressão de 200–300 MPa), com alguns produtos de precisão fabricados por moldagem por injeção para garantir densidade uniforme do corpo verde ( ≥5,8 g/cm 3 - Não. ).
• Tratamento de sinterização: Sinterizado em alta temperatura de 1550–1650 ℃, com tempo de permanência de 2–4 horas e taxa controlada de aquecimento de 5 ℃/min, para assegurar crescimento adequado dos grãos sem sinterização excessiva.
• Acabamento pós-processamento e inspeção: Realizam-se retificação e polimento para garantir precisão dimensional e acabamento superficial. Antes de saírem da fábrica, os produtos devem passar em testes de estanqueidade ( taxa de vazamento ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s ), testes de condutividade iônica ( ≥0,01 S/cm a 850 ℃), e testes de choque térmico (ciclos de –20 ℃ até 1100 ℃ cinco vezes sem rachar).
• Estrutura tubular: O design mais comum adota uma "estrutura tubular com uma extremidade selada" ( semelhante a um tubo de ensaio ), sendo a extremidade selada a área central de condução iônica e a extremidade aberta utilizada para extrair o eletrodo e conectar o canal de gás de referência; alguns sensores especializados empregam um design de duplo tubo ou múltiplos tubos para atender às necessidades de monitoramento de múltiplos gases.

Características do material:

• Resistência à chama e alta condutividade térmica.
• Baixo coeficiente de expansão.
• Alta estabilidade térmica.
• Longa vida útil, especialmente adequada para aquecimento e resfriamento rápidos.
• Alta condutividade térmica, baixo consumo energético e redução do consumo de energia.
• Luz de parede interna, revestimento antiaderente em pó, reduz a quantidade de polimento com terras raras.

Benefícios principais de desempenho:

1. Capacidade de funcionamento estável em uma ampla faixa de temperatura: Graças à excelente estabilidade térmica do YSZ de 8 mol, o sensor de zircônia pode fornecer dados de forma estável na faixa de 400–1100 °°C e pode manter sua integridade estrutural mesmo sob choques térmicos de curta duração a 1200 °°C, superando amplamente os sensores de oxigênio convencionais (cujo limite superior de temperatura de operação normal é de 800 °C).

°C), embora sua condutividade iônica seja inferior à do YSZ de 3 mol na faixa de baixa temperatura (400–600 °°C), ela é capaz de atender às necessidades de detecção em cenários de média e baixa temperatura e adaptar-se a condições industriais mais variadas mediante a otimização da estrutura do eletrodo (por exemplo, eletrodos de platina porosos).

2. Vida útil de ciclo ultra-longa e confiabilidade: A alta tenacidade à fratura e a resistência à transição de fase dos tubos de zircônia 8 mol YSZ tornam o sensor significativamente mais estável em ciclos repetidos de aumento e queda de temperatura (como na partida e parada de equipamentos industriais de combustão) — após testes, após 150 ciclos em alta temperatura, a precisão na detecção da concentração de oxigênio sofreu atenuação inferior a 10%, enquanto o sensor de YSZ 3 mol apresentou atenuação superior a 25% no mesmo período; No design do sensor com estrutura em espuma, a estabilidade cíclica (OEC) do transportador de oxigênio baseado em YSZ 8 mol pode atingir mais de 90%, superando amplamente a de sensores tradicionais baseados em partículas.

3. Anti-interferência e detecção precisa: os tubos cerâmicos de YSZ a 8 mol são quimicamente inertes, podendo resistir à erosão por ácidos fortes, bases, sulfetos e poeira fundida presentes nos gases de exaustão industriais, evitando assim a redução da sensibilidade causada pela poluição do eletrólito; ao mesmo tempo, a lisura superficial dos tubos cerâmicos de zircônia (Ra ≤0.8μ m) reduz a adsorção de impurezas, permitindo que a velocidade de resposta do sensor seja tão rápida quanto 0,1–0,5 s, com precisão de detecção alcançando ±0,1 %vol, sendo possível detectar teores mínimos de oxigênio em traços abaixo de 1 %vol, atendendo aos rigorosos requisitos de monitoramento ambiental e controle industrial de precisão.

4. Baixo consumo energético e otimização da adaptabilidade: a baixa condutividade térmica ( 2,0 W/(m ·K) ) do tubo de YSZ a 8 mol reduz o consumo energético do módulo de aquecimento do sensor, e, com o projeto de estrutura heterogênea multicamadas (por exemplo, composto com SndC/AO), a temperatura de operação do sensor pode ser reduzida em mais de 200 °C , reduzindo ainda mais o custo operacional, ao mesmo tempo que garante a precisão da detecção.

Dados: