кислородный датчик из циркониевого керамического трубчатого элемента YSZ, стабилизированный 8 моль оксида иттрия, с закрытым одним концом

Оксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ), — важный керамический материал. Он состоит в основном из оксида циркония ( ZrO₂ ) и оксида иттрия ( Y₂O₃ ). Добавление соответствующего количества оксида иттрия в оксид циркония позволяет формировать при комнатной температуре устойчивые кубическую и тетрагональную кристаллические фазы. YSZ с содержанием 8 мол. % Y₂O₃  может образовывать полностью кубическую кристаллическую фазу при комнатной температуре. Кубический цирконий обладает хорошей ионной проводимостью кислорода, что делает его важным материалом в таких областях, как твердооксидные топливные элементы и кислородные датчики, обеспечивая быструю миграцию ионов кислорода внутри материала для эффективной генерации энергии в топливных элементах или точного определения содержания кислорода с помощью датчиков. Чистый оксид циркония претерпевает фазовые переходы при различных температурах, однако после добавления оксида иттрия ионный радиус иттрия оказывается близким к ионному радиусу циркония, что позволяет иттрию внедряться в решётку циркония, стабилизировать её структуру и подавлять фазовые переходы при охлаждении, предотвращая таким образом объёмные изменения и растрескивание материала, вызванные этими фазовыми переходами.

• Подготовка исходного сырья: порошок 8YSZ получают методом химического совместного осаждения, после чего проводят гранулирование распылительной сушкой для обеспечения текучести порошка и однородности размера частиц.
• Процесс формовки: в основном используется холодное изостатическое прессование (давление 200–300 МПа), а некоторые прецизионные изделия изготавливаются методом литья под давлением для обеспечения однородной плотности зелёных заготовок ( ≥5,8 г/см 3. ).
• Спекание: проводится при высокой температуре 1550–1650 ℃°C с выдержкой в течение 2–4 часов и контролируемой скоростью нагрева 5 ℃°C/мин для обеспечения достаточного роста зёрен без чрезмерного спекания.
• Послеоперационная обработка и контроль: выполняются шлифование и полировка для гарантии точности размеров и качества поверхности. Перед отгрузкой продукции со склада она должна пройти испытания на герметичность ( скорость утечки ≤1×10⁻⁶ Па·м³/с ), испытания на ионную проводимость ( ≥0,01 См/см при 850 ℃°C) и испытания на термоудар (циклы от –20 ℃ до 1100 ℃ пять раз без растрескивания).
• Конструкция в виде трубки: основной дизайн использует «конструкцию в виде трубки с одним герметично закрытым концом» ( аналогично пробирке ), при этом герметично закрытый конец служит зоной ионной проводимости, а открытый конец используется для вывода электрода и подключения канала референтного газа; некоторые специализированные датчики используют двухтрубную или многотрубную конструкцию для удовлетворения потребностей мониторинга нескольких газов.

Характеристики материала:

• Огнестойкость, высокая теплопроводность.
• Низкий коэффициент теплового расширения.
• Высокая термостойкость.
• Длительный срок службы, особенно подходящий для быстрого охлаждения и нагрева.
• Быстрая теплопроводность, низкое энергопотребление и снижение энергозатрат.
• Внутренний светильник для стен, покрытие с антипригарным порошком, снижение количества редкоземельных элементов при полировке.

Ключевые эксплуатационные преимущества:

1. Стабильная рабочая способность в широком диапазоне температур: благодаря превосходной термостойкости 8mol YSZ датчик на основе циркония стабильно выдаёт данные в диапазоне от 400 до 1100 °°C и сохраняет свою структурную целостность даже при кратковременном воздействии высоких температур до 1200 °°C, что значительно превышает возможности обычных кислородных датчиков (верхний предел нормальной рабочей температуры — 800 °C).

°C), хотя его ионная проводимость в низкотемпературном диапазоне (400–600 °°C) ниже, чем у 3mol YSZ, он тем не менее удовлетворяет требованиям по обнаружению в средних и низких температурных условиях и адаптируется к более широкому спектру промышленных условий за счёт оптимизации конструкции электродов (например, пористых платиновых электродов).

2. Сверхдлительный срок службы в циклическом режиме и высокая надежность: Высокая вязкость разрушения и устойчивость к фазовым превращениям циркониевых трубок на основе 8 моль YSZ обеспечивают значительное повышение циклической стабильности датчика при многократных циклах нагрева и охлаждения (например, при пуске и остановке промышленного оборудования для сжигания). В ходе испытаний после 150 циклов высокотемпературного воздействия точность измерения концентрации кислорода у данного датчика снизилась менее чем на 10 %, тогда как у датчика на основе 3 моль YSZ снижение составило более 25 % за тот же период; при использовании конструкции датчика с пористой (пенопластовой) структурой циклическая стабильность (OEC) кислородного носителя на основе 8 моль YSZ превышает 90 %, что значительно выше показателей традиционных зернистых датчиков.

3. Защита от помех и точное обнаружение: керамические трубки из YSZ с содержанием 8 моль оксида циркония химически инертны, что обеспечивает устойчивость к эрозии сильных кислот, щелочей, сульфидов и расплавленной пыли в промышленных дымовых газах, а также предотвращает снижение чувствительности, вызванное загрязнением электролита; одновременно высокая гладкость поверхности циркониевых керамических трубок (Ra ≤0.8μ м) снижает адсорбцию примесей, благодаря чему время отклика датчика составляет всего 0,1–0,5 с, точность измерений достигает ±0,1 об. %, а минимальное обнаруживаемое содержание кислорода в следовых количествах может быть ниже 1 об. %, что соответствует строгим требованиям экологического мониторинга и прецизионного промышленного контроля.

4. Низкое энергопотребление и оптимизация адаптивности: низкая теплопроводность ( 2,0 Вт/(м ··К) ) керамической трубки YSZ с содержанием 8 моль позволяет снизить энергопотребление нагревательного модуля датчика, а за счёт применения многослойной гетерогенной структуры (например, композитного сочетания с SndC/AO) рабочую температуру датчика можно понизить более чем на 200 °C , что дополнительно снижает эксплуатационные расходы, сохраняя при этом точность обнаружения.

Данные: