ท่อเซนเซอร์วัดออกซิเจนแบบเซรามิกเซอร์โคเนีย (YSZ) ที่เสถียรด้วยอิตเทรีย 8 โมล ปลายปิดด้านหนึ่ง แบบปลอก

เซอร์โคเนียที่เสถียรด้วยยิเทรีย (YSZ) เป็นวัสดุเซรามิกที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง ประกอบขึ้นหลักๆ จากออกไซด์ของเซอร์โคเนียม ( ZrO₂ ) และออกไซด์ของเยทริอุม ( Y₂O₃ ) โดยการเติมออกไซด์ของเยทริอุมในปริมาณที่เหมาะสมลงในออกไซด์ของเซอร์โคเนียม จะทำให้เซอร์โคเนียมออกไซด์สามารถสร้างเฟสผลึกแบบคิวบิกและเททราโกนัลที่มีเสถียรภาพได้ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่ง YSZ ที่มีส่วนผสมของเยทริอุม 8 mol% Y₂O₃  สามารถก่อตัวเป็นเฟสผลึกแบบลูกบาศก์สมบูรณ์ที่อุณหภูมิห้องได้ ซิคอนเนียแบบลูกบาศก์มีความสามารถในการนำไอออนออกซิเจนได้ดี จึงมีความสำคัญในสาขาต่าง ๆ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็งและเซ็นเซอร์วัดออกซิเจน โดยช่วยให้ไอออนออกซิเจนสามารถเคลื่อนที่ผ่านวัสดุได้อย่างรวดเร็ว เพื่อการผลิตพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพในเซลล์เชื้อเพลิง หรือการตรวจวัดปริมาณออกซิเจนได้อย่างแม่นยำโดยเซ็นเซอร์ ซิเรเนียมออกไซด์บริสุทธิ์จะเกิดการเปลี่ยนเฟสที่อุณหภูมิแตกต่างกัน แต่หลังจากเติมเยเทรียมออกไซด์แล้ว เนื่องจากรัศมีไอออนของเยเทรียมใกล้เคียงกับรัศมีไอออนของซิเรเนียม ทำให้เยเทรียมสามารถแทรกเข้าไปในโครงสร้างตาข่ายของซิคอนเนียได้ จึงช่วยเสริมเสถียรภาพของโครงสร้างตาข่าย และยับยั้งการเปลี่ยนเฟสขณะทำให้อุณหภูมิลดลง ซึ่งป้องกันการเปลี่ยนแปลงปริมาตรและรอยร้าวของวัสดุที่เกิดจากการเปลี่ยนเฟสเหล่านี้

• การเตรียมวัตถุดิบ: ผง 8YSZ จัดเตรียมโดยใช้วิธีการตกตะกอนร่วมทางเคมี (chemical co-precipitation method) ตามด้วยการพ่นแห้งเพื่อทำให้เป็นเม็ด (spray drying granulation) เพื่อให้มั่นใจว่าผงมีความสามารถในการไหลได้ดีและมีขนาดอนุภาคสม่ำเสมอ
• กระบวนการขึ้นรูป: ใช้หลักการอัดแบบเย็นแบบแรงดันสม่ำเสมอ (ความดัน 200–300 เมกะพาสคาล) เป็นหลัก โดยผลิตภัณฑ์บางชนิดที่ต้องการความแม่นยำสูงจะผลิตด้วยวิธีฉีดขึ้นรูป เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของชิ้นงานก่อนเผา (green body) ที่สม่ำเสมอ ( ≥5.8 กรัม/ลบ.ซม. 3 ).
• การเผาเพื่อให้เกิดการเชื่อมประสาน (Sintering): เผาที่อุณหภูมิสูง 1550–1650 ℃°C โดยคงอุณหภูมิไว้เป็นเวลา 2–4 ชั่วโมง ด้วยอัตราการให้ความร้อนที่ควบคุมอย่างแม่นยำที่ 5 ℃°C/นาที เพื่อให้เกิดการเติบโตของเม็ดผลึกอย่างเพียงพอ โดยไม่เกิดการเผาเกินไป
• การแปรรูปหลังการเผาและการตรวจสอบ: ดำเนินการขัดและขัดเงาเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของขนาดและคุณภาพผิว ผลิตภัณฑ์ต้องผ่านการทดสอบความแน่นสนิท ( อัตราการรั่ว ≤1×10⁻⁶ พาสคาล·ลูกบาศก์เมตร/วินาที ), การทดสอบการนำไฟฟ้าไอออนิก ( ≥0.01 ซีเมนส์/เซนติเมตร ที่อุณหภูมิ 850 ℃°C), และการทดสอบความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว (วงจรจาก –20 ℃ ถึง 1100 ℃ ห้าครั้งโดยไม่แตกร้าว)
• โครงสร้างท่อ: การออกแบบหลักนิยมใช้ 'โครงสร้างท่อแบบปลายหนึ่งด้านปิดสนิท' ( คล้ายกับหลอดทดลอง ) โดยปลายที่ปิดสนิททำหน้าที่เป็นบริเวณแกนนำไอออน ส่วนปลายที่เปิดออกใช้สำหรับนำขั้วไฟฟ้าออกมาและเชื่อมต่อกับช่องทางของก๊าซอ้างอิง; เซ็นเซอร์เฉพาะบางประเภทใช้การออกแบบแบบท่อกลางสองชั้นหรือหลายชั้นเพื่อรองรับความต้องการในการตรวจสอบก๊าซหลายชนิด

ลักษณะของวัสดุ:

• ทนเปลวไฟได้ นำความร้อนได้ดี
• สัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ
• เสถียรภาพทางความร้อนสูง
• อายุการใช้งานยาวนาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วทั้งในภาวะเย็นและร้อน
• การนำความร้อนได้เร็ว ใช้พลังงานต่ำ และลดการใช้พลังงาน
• ไฟติดผนังด้านใน ผงเคลือบแบบไม่ติด ช่วยลดปริมาณการขัดเงาด้วยธาตุเรืองแสงหายาก

ประโยชน์ด้านประสิทธิภาพหลัก:

1. ความสามารถในการทำงานอย่างมีเสถียรภาพในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง: โดยอาศัยความเสถียรทางความร้อนที่ยอดเยี่ยมของเซรามิกไซโคนิยา (YSZ) ที่มีองค์ประกอบ 8 mol ทำให้เซ็นเซอร์เซรามิกไซโคนิยาสามารถส่งออกข้อมูลได้อย่างเสถียรในช่วงอุณหภูมิ 400–1100 °°C และยังคงรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ได้แม้ภายใต้แรงกระแทกจากอุณหภูมิสูงเป็นระยะเวลาสั้นๆ ที่ 1200 °°C ซึ่งสูงกว่าเซ็นเซอร์วัดออกซิเจนทั่วไปมาก (อุณหภูมิสูงสุดที่ใช้งานได้ตามปกติคือ 800 °เซลเซียส)

°C) แม้ว่าการนำไฟฟ้าไอออนิกของมันจะต่ำกว่าไซโคนิยา (YSZ) ที่มีองค์ประกอบ 3 mol ในช่วงอุณหภูมิต่ำ (400–600 °°C) แต่ก็เพียงพอต่อความต้องการในการตรวจวัดในสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิปานกลางและต่ำ และสามารถปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมเชิงอุตสาหกรรมที่หลากหลายยิ่งขึ้นได้ผ่านการปรับปรุงโครงสร้างขั้วไฟฟ้า (เช่น ขั้วไฟฟ้าแพลตินัมแบบมีรูพรุน)

2. อายุการใช้งานแบบไซเคิลที่ยาวนานเป็นพิเศษและความน่าเชื่อถือสูง: ความต้านทานต่อการแตกร้าวสูงและความต้านทานต่อการเปลี่ยนเฟสของหลอดเซรามิกเซอร์โคเนียชนิด 8 mol YSZ ทำให้เซนเซอร์มีความเสถียรในการทำงานแบบไซเคิลซ้ำๆ อย่างมีนัยสำคัญ ภายใต้สภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิขึ้น–ลงซ้ำๆ (เช่น การเริ่มต้นและหยุดการทำงานของอุปกรณ์เผาไหม้ในอุตสาหกรรม) — จากผลการทดสอบ หลังผ่านการไซเคิลที่อุณหภูมิสูงจำนวน 150 รอบ ความแม่นยำในการตรวจวัดความเข้มข้นของออกซิเจนลดลงน้อยกว่า 10% ในขณะที่เซนเซอร์ชนิด 3 mol YSZ มีการลดลงมากกว่า 25% ภายในช่วงเวลาเดียวกัน; สำหรับการออกแบบเซนเซอร์โครงสร้างโฟม ความเสถียรแบบไซเคิล (OEC) ของตัวนำออกซิเจนฐาน 8 mol YSZ สามารถสูงกว่า 90% ซึ่งสูงกว่าเซนเซอร์แบบอนุภาคแบบดั้งเดิมอย่างมาก

3. ป้องกันการรบกวนและการตรวจจับที่แม่นยำ: ท่อเซรามิก YSZ 8mol มีคุณสมบัติเฉื่อยทางเคมี สามารถทนต่อการกัดกร่อนของกรดแก่ ด่าง ซัลไฟด์ และฝุ่นละอองหลอมเหลวในก๊าซไอเสียอุตสาหกรรม และหลีกเลี่ยงการลดความไวที่เกิดจากการปนเปื้อนของอิเล็กโทรไลต์ ในขณะเดียวกัน ความเรียบของพื้นผิวของท่อเซรามิกเซอร์โคเนีย (Ra) ≤0.8μ มม.) ช่วยลดการดูดซับสิ่งสกปรก ทำให้ความเร็วในการตอบสนองของเซ็นเซอร์รวดเร็วถึง 0.1–0.5 วินาที ความแม่นยำในการตรวจจับสามารถทำได้ถึง ±0.1 ปริมาตร% และสามารถตรวจจับปริมาณออกซิเจนในระดับรอยเท้าต่ำสุดได้ต่ำกว่า 1 ปริมาตร% ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับการตรวจสอบสิ่งแวดล้อมและการควบคุมอุตสาหกรรมแบบแม่นยำ

4. การใช้พลังงานต่ำและการปรับแต่งเพื่อความเหมาะสม: ค่าการนำความร้อนต่ำ ( 2.0 วัตต์/(เมตร ·เคลวิน) ) ของหลอด YSZ ความเข้มข้น 8 mol ช่วยลดการใช้พลังงานของโมดูลทำความร้อนของเซ็นเซอร์ และด้วยการออกแบบโครงสร้างแบบหลายชั้นที่มีองค์ประกอบต่างกัน (เช่น การผสมผสานกับ SndC/AO) อุณหภูมิในการทำงานของเซ็นเซอร์สามารถลดลงได้มากกว่า 200 °C ลดต้นทุนการดำเนินงานเพิ่มเติม ขณะเดียวกันก็รับประกันความแม่นยำในการตรวจจับ

ข้อมูล: