кисневий датчик із цирконієвої кераміки YSZ, стабілізованої 8 моль оксиду ітрію, циліндрична трубка із ZrO₂ з одним закритим кінцем

Цирконій, стабілізований оксидом ітрію (YSZ), — це важливий керамічний матеріал. Він складається переважно з оксиду цирконію ( ZrO₂ ) та оксиду ітрію ( Y₂O₃ ). Додаючи до оксиду цирконію відповідну кількість оксиду ітрію, можна отримати стабільні кубічну й тетрагональну кристалічні фази цирконію за кімнатної температури. YSZ з вмістом 8 моль % Y₂O₃  може утворювати повністю кубічну кристалічну фазу за кімнатної температури. Кубічна цирконія має високу провідність іонів кисню, що робить її важливою в таких галузях, як твердооксидні паливні елементи та датчики кисню, забезпечуючи швидку міграцію іонів кисню всередині матеріалу для ефективного генерування електроенергії в паливних елементах або точного визначення вмісту кисню датчиками. Чистий оксид цирконію зазнає фазових перетворень при різних температурах, але після додавання оксиду ітрію іонний радіус ітрію подібний до іонного радіусу цирконію, що дозволяє йому входити в кристалічну ґратку цирконію, стабілізувати її структуру та пригнічати фазові перетворення під час охолодження, таким чином запобігаючи змінам об’єму та утворенню тріщин у матеріалі, спричиненим цими фазовими перетвореннями.

• Підготовка сировини: порошок 8YSZ отримують методом хімічного співосадження, після чого проводять гранулювання розпиленням для забезпечення текучості порошку та однорідного розміру частинок.
• Процес формування: переважно використовується холодне ізостатичне пресування (тиск 200–300 МПа), а деякі точні вироби виготовляються методом лиття під тиском для забезпечення однорідної щільності зеленого тіла ( ≥5,8 г/см ³ ).
• Спікання: проводиться при високій температурі 1550–1650 ℃°C протягом 2–4 годин з контрольованою швидкістю нагріву 5 ℃°C/хв для забезпечення достатнього росту зерен без надмірного спікання.
• Додаткова обробка та контроль: виконуються шліфування й полірування для забезпечення точності розмірів та якості поверхні. Перед відправленням з виробництва вироби повинні успішно пройти випробування на герметичність ( швидкість витоку ≤1×10⁻⁶ Па·м³/с ), випробування на іонну провідність ( ≥0,01 См/см при 850 ℃°C) та випробування на термічні удари (цикли від –20 ℃ до 1100 ℃ п’ять разів без утворення тріщин).
• Конструкція трубки: у провідному дизайні використовується «трубчаста конструкція з одним закритим кінцем» ( аналогічно пробірці ), де закритий кінець виконує функцію основної зони іонної провідності, а відкритий кінець призначений для виведення електрода та підключення каналу референтного газу; деякі спеціалізовані датчики використовують двотрубну або багатотрубну конструкцію для задоволення потреб моніторингу кількох газів.

Характеристики матеріалу:

• Стійкість до полум’я, висока теплопровідність.
• Низький коефіцієнт розширення.
• Висока термостійкість.
• Тривалий термін служби, особливо придатний для швидкого охолодження та нагрівання.
• Швидка теплопровідність, низьке енергоспоживання та знижене енергоспоживання.
• Внутрішнє стінне освітлення, не прилипаюче порошкове покриття, зменшення кількості рідкоземельних елементів для полірування.

Ключові експлуатаційні переваги:

1. Стабільна робоча здатність у широкому діапазоні температур: завдяки винятковій термічній стабільності оксиду цирконію з вмістом 8 моль YSZ датчик на основі цирконію стабільно видає дані в діапазоні 400–1100 °°C і зберігає свою структурну цілісність навіть під час короткочасного впливу високих температур до 1200 °°C, що значно перевищує можливості звичайних кисневих датчиків (верхня межа нормального робочого температурного діапазону — 800 °C).

°C), хоча його іонна провідність у низькотемпературному діапазоні (400–600 °°C) нижча, ніж у 3 моль YSZ, він задовольняє вимоги до виявлення в сценаріях середніх і низьких температур і адаптується до більшої кількості промислових умов за рахунок оптимізації конструкції електродів (наприклад, пористих платинових електродів).

2. Надзвичайно тривалий термін служби в циклі та надійність: Висока стійкість оксиду цирконію на основі 8 моль YSZ до руйнування та фазових перетворень у трубках із цього матеріалу значно підвищує стабільність сенсора в умовах повторних циклів нагріву й охолодження (наприклад, під час запуску й зупинки промислового обладнання для спалювання). Після випробувань встановлено, що після 150 циклів високотемпературного навантаження точність визначення концентрації кисню у сенсорі на основі 8 моль YSZ знижується менш ніж на 10 %, тоді як у сенсорі на основі 3 моль YSZ — більш ніж на 25 % за той самий період. У конструкції сенсора з піноподібною структурою циклічна стабільність (OEC) кисневого носія на основі 8 моль YSZ може перевищувати 90 %, що значно перевищує показники традиційних сенсорів на основі частинок.

3. Захист від перешкод та точне виявлення: керамічні трубки з цирконієвої стабілізованої окису цирконію (YSZ) із вмістом 8 моль % є хімічно інертними, що забезпечує стійкість до ерозії під дією сильних кислот, лугів, сульфідів та розплавленого пилу в промислових димових газах і запобігає зниженню чутливості через забруднення електроліту; одночасно висока гладкість поверхні керамічних цирконієвих трубок (Ra ≤0.8μ м) зменшує адсорбцію домішок, завдяки чому швидкість реакції сенсора досягає 0,1–0,5 с, точність вимірювання — ±0,1 об. %, а мінімальний вміст слідових кількостей кисню може бути виявлений на рівні нижче 1 об. %, що відповідає суворим вимогам екологічного моніторингу та точного промислового контролю.

4. Низьке енергоспоживання та оптимізація адаптивності: низька теплопровідність ( 2,0 Вт/(м ··К) ) керамічної трубки YSZ із вмістом 8 моль % дозволяє знизити енергоспоживання нагрівального модуля сенсора, а завдяки багатошаровій гетерогенній структурі (наприклад, композиції з SndC/AO) робочу температуру сенсора можна знизити більш ніж на 200 °C , що далі знижує експлуатаційні витрати, забезпечуючи при цьому точність виявлення.

Дані: