kyslíkový senzor z oxidu zirkónia (YSZ) stabilizovaného 8 mol oxidom ittria, keramická rúrka z oxidu zirkónia (ZrO₂), plášť s jedným uzavretým koncom

Ittria-stabilizovaná cirkónia (YSZ) je dôležitý keramický materiál. Skladá sa hlavne z oxidu cirkónia ( ZrO₂ ) a oxidu ittria ( Y₂O₃ ). Pridaním vhodného množstva oxidu ittria do oxidu cirkónia sa cirkónia môže pri izbovej teplote stabilizovať v kubických a štvorcových kryštálových fázach. YSZ s obsahom 8 mol% Y₂O₃  môže tvoriť úplne kubickú kryštalickú fázu pri izbovej teplote. Kubická zirkónia má dobrú vodivosť kyslíkových iónov, čo ju robí dôležitou v oblastiach ako sú pevné oxidové palivové články a senzory kyslíka, čím umožňuje rýchlu migráciu kyslíkových iónov v materiáli pre účinnú výrobu energie v palivových článkoch alebo presné zisťovanie obsahu kyslíka senzormi. Čistý oxid zirkoničitý prechádza fázovými premenami pri rôznych teplotách, avšak po pridaní oxidu yttria sa iontový polomer yttria podobá iontovému polomeru zirkónia, čo mu umožňuje vstúpiť do zirkóniového mriežkového usporiadania, stabilizovať štruktúru mriežky a potlačiť fázové premeny počas chladenia, čím sa zabráni zmenám objemu a praskaniu materiálu spôsobeným týmito fázovými premenami.

• Príprava suroviny: Prášok 8YSZ sa pripravuje chemickou metódou spolysrážania, za následného granulovania rozprašovaním a sušením, aby sa zabezpečila prúživosť prášku a rovnomerná veľkosť častíc.
• Formovací proces: Predovšetkým sa používa studené izostatické lisovanie (tlak 200–300 MPa), pričom niektoré presné výrobky sa vyrábajú injekčným lisovaním, aby sa zabezpečila rovnaká hustota „zeleného“ polotovaru ( ≥5,8 g/cm ³ ).
• Žíhací proces: Žíhanie pri vysokých teplotách 1550–1650 ℃, pričom sa udržiava teplota po dobu 2–4 hodín a rýchlosť ohrevu sa kontroluje na úrovni 5 ℃/min, aby sa zabezpečil dostatočný rast zŕn bez nadmerného spiekania.
• Doterajšia spracovateľská úprava a kontrola: Brousenie a leštenie sa vykonávajú za účelom zabezpečenia rozmerného presného rozmerovania a kvality povrchovej úpravy. Pred odoslaním z výroby musia výrobky úspešne absolvovať testy tesnosti ( rýchlosť úniku ≤ 1 × 10⁻⁶ Pa·m³/s ), testy iónovej vodivosti ( ≥0,01 S/cm pri 850 ℃), a testy tepelného šoku (cykly od –20 ℃ až 1100 ℃ päťkrát bez prasknutia).
• Tvarová štruktúra: Hlavný dizajn využíva „tvarovú štruktúru s jedným uzavretým koncom“ ( podobnú skúmavke ), pričom uzavretý koniec slúži ako oblasť jadra pre vedenie iónov a otvorený koniec sa používa na vývod elektrody a pripojenie kanála referenčného plynu; niektoré špeciálne senzory využívajú dvojtrubkový alebo viacnásobný trubkový dizajn, aby vyhoveli potrebám monitorovania viacerých plynov.

Charakteristiky materiálu:

• Odolnosť voči plameňu, vysoká tepelná vodivosť.
• Nízky koeficient rozťažnosti.
• Vysoká tepelná stabilita.
• Dlhá životnosť, najmä vhodná pre rýchle ochladzovanie a zahrievanie.
• Rýchla tepelná vodivosť, nízka spotreba energie a znížená spotreba energie.
• Vnútorné stenové svetlo, nelepivý prášok, zníženie množstva vzácnych zemín pri leštení.

Kľúčové výkonné výhody:

1. Stabilná pracovná schopnosť v širokom rozsahu teplôt: Vďaka vynikajúcej tepelnej stabilité 8mol YSZ môže zirkóniový snímač stabilne poskytovať údaje v rozsahu 400–1100 °°C a dokáže udržať svoju štrukturálnu celistvosť aj pri krátkodobom tepelnom šoku vysokých teplôt 1200 °°C, čo výrazne presahuje bežné kyslíkové snímače (horný limit normálneho prevádzkového rozsahu teplôt je 800 °C).

°C), hoci jeho iónová vodivosť je v nízkoteplotnom rozsahu (400–600 °°C) nižšia ako u 3mol YSZ, môže napriek tomu spĺňať požiadavky na detekciu v stredných a nízkych teplotách a prispôsobiť sa širšiemu spektru priemyselných podmienok optimalizáciou štruktúry elektród (napr. pórovitých platinových elektród).

2. Ultra dlhá životnosť pri cyklickom zaťažení a spoľahlivosť: Vysoká odolnosť proti lomu a odolnosť voči fázovým premenám zirkóniových trubíc z 8 mol YSZ zabezpečujú výrazné zlepšenie cyklickej stability senzora pri opakovaných cykloch zvyšovania a zníženia teploty (napr. pri štarte a zastavení priemyselných spaľovacích zariadení) – po testovaní sa po 150 vysokoteplotných cykloch presnosť detekcie koncentrácie kyslíka znížila o menej ako 10 %, zatiaľ čo u senzora s 3 mol YSZ sa v rovnakom období znížila o viac ako 25 %; V návrhu senzora so penovou štruktúrou môže cyklická stabilita (OEC) kyslíkového nosiča na báze 8 mol YSZ dosiahnuť viac ako 90 %, čo výrazne prevyšuje hodnoty tradičných časticových senzorov.

3. Odolnosť voči rušeniu a presná detekcia: Keramické trubice YSZ s obsahom 8 mol % sú chemicky neaktívne, čo im umožňuje odolať erózii spôsobenej silnými kyselinami, zásadami, sulfidmi a roztopeným prachom v priemyselných spaľovacích plynoch a zabrániť zníženiu citlivosti spôsobenému kontamináciou elektrolytu; Súčasne hladký povrch keramických oxidocirkoničitých trubíc (Ra ≤0.8μ m) znižuje adsorpciu nečistôt, čo umožňuje dosiahnuť rýchlosť reakcie senzora 0,1–0,5 s, presnosť detekcie môže dosiahnuť ±0,1 obj. % a minimálny obsah stopového kyslíka je možné detegovať aj pod 1 obj. %, čím sa splnia prísne požiadavky environmentálneho monitoringu a presného priemyselného riadenia.

4. Nízka spotreba energie a optimalizácia prispôsobivosti: Nízka tepelná vodivosť ( 2,0 W/(m ·K) ) keramickej trubice YSZ s obsahom 8 mol % umožňuje znížiť spotrebu energie vyhrievacieho modulu senzora a vďaka návrhu viacvrstvovej heterogénnej štruktúry (napr. kombinácia so SndC/AO) sa prevádzková teplota senzora môže znížiť o viac ako 200 °C , čím sa ďalej znížia prevádzkové náklady a zároveň sa zachová presnosť detekcie.

Údaje: