ống gốm zirconia cảm biến oxy ổn định bằng 8 mol yttria (YSZ), ống gốm ZrO2 bịt kín một đầu

Zirconia ổn định bằng yttria (YSZ) là một vật liệu gốm quan trọng. Thành phần chính gồm oxit zirconi ( ZrO₂ ) và oxit yttri ( Y₂O₃ ). Bằng cách bổ sung một lượng thích hợp oxit yttri vào oxit zirconi, zirconia có thể hình thành các pha tinh thể lập phương và tứ giác ổn định ở nhiệt độ phòng. YSZ chứa 8 mol% Y₂O₃  có thể hình thành pha tinh thể lập phương hoàn toàn ở nhiệt độ phòng. Zirconia lập phương có độ dẫn ion oxy tốt, do đó đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như pin nhiên liệu oxit rắn và cảm biến oxy, cho phép các ion oxy di chuyển nhanh chóng bên trong vật liệu nhằm tạo ra năng lượng hiệu quả trong pin nhiên liệu hoặc phát hiện chính xác hàm lượng oxy nhờ cảm biến. Oxit zirconi nguyên chất trải qua các chuyển pha ở các nhiệt độ khác nhau, nhưng sau khi bổ sung oxit yttri, bán kính ion của yttri tương đương với bán kính ion của zirconi, cho phép yttri xâm nhập vào mạng tinh thể zirconia, ổn định cấu trúc mạng và kìm hãm các chuyển pha trong quá trình làm nguội, từ đó ngăn ngừa sự thay đổi thể tích và nứt vỡ vật liệu do các chuyển pha này gây ra.

• Chuẩn bị nguyên liệu thô: Bột 8YSZ được điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học, sau đó được granul hóa bằng phun sấy để đảm bảo tính chảy và kích thước hạt đồng đều của bột.
• Quy trình tạo hình: Chủ yếu sử dụng phương pháp ép đẳng tĩnh lạnh (áp suất 200–300 MPa), một số sản phẩm độ chính xác cao được sản xuất bằng phương pháp đúc phun nhằm đảm bảo mật độ thân xanh đồng đều ( ≥5,8 g/cm³ 3 ).
• Xử lý nung kết: Nung kết ở nhiệt độ cao 1550–1650 ℃°C, giữ nhiệt trong 2–4 giờ, với tốc độ gia nhiệt kiểm soát ở mức 5 ℃°C/phút để đảm bảo sự phát triển hạt đầy đủ mà không xảy ra hiện tượng nung kết quá mức.
• Gia công sau nung kết và kiểm tra: Thực hiện mài và đánh bóng nhằm đảm bảo độ chính xác về kích thước và độ nhẵn bề mặt. Trước khi xuất xưởng, sản phẩm phải vượt qua các bài kiểm tra độ kín khí ( tỷ lệ rò rỉ ≤1×10⁻⁶ Pa·m³/s ), kiểm tra độ dẫn điện ion ( ≥0,01 S/cm ở 850 ℃°C), và kiểm tra sốc nhiệt (chu kỳ từ –20 ℃ đến 1100 ℃ năm lần mà không nứt).
• Cấu trúc ống: Thiết kế phổ biến áp dụng cấu trúc 'ống có một đầu bịt kín' ( tương tự như ống nghiệm ), trong đó đầu bịt kín đóng vai trò là vùng lõi dẫn ion, còn đầu hở được dùng để đưa điện cực ra ngoài và kết nối với kênh khí tham chiếu; một số cảm biến chuyên dụng sử dụng thiết kế hai ống hoặc nhiều ống nhằm đáp ứng nhu cầu giám sát đồng thời nhiều loại khí.

Đặc tính vật liệu:

• Chống cháy, dẫn nhiệt tốt.
• Hệ số giãn nở thấp.
• Ổn định nhiệt cao.
• Tuổi thọ dài, đặc biệt phù hợp với các chu kỳ làm lạnh và gia nhiệt nhanh.
• Dẫn nhiệt nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp và giảm mức tiêu thụ năng lượng.
• Đèn tường trong nhà, lớp phủ chống dính, giảm lượng đất hiếm dùng để đánh bóng.

Lợi ích chính về hiệu suất:

1. Khả năng hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ rộng: Dựa trên độ ổn định nhiệt xuất sắc của YSZ 8 mol, cảm biến zirconia có thể đầu ra dữ liệu ổn định trong khoảng nhiệt độ từ 400–1100 °°C và vẫn duy trì được tính toàn vẹn cấu trúc ngay cả khi chịu sốc nhiệt độ cao ngắn hạn ở mức 1200 °°C, vượt xa cảm biến oxy thông thường (giới hạn trên của nhiệt độ hoạt động bình thường là 800 °C).

°C). Mặc dù độ dẫn ion của nó thấp hơn YSZ 3 mol trong dải nhiệt độ thấp (400–600 °°C), nhưng nó vẫn đáp ứng được nhu cầu phát hiện trong các tình huống nhiệt độ trung bình và thấp, đồng thời thích nghi với nhiều điều kiện công nghiệp hơn nhờ tối ưu hóa cấu trúc điện cực (ví dụ như điện cực bạch kim xốp).

2. Tuổi thọ chu kỳ cực dài và độ tin cậy cao: Độ bền chống nứt và khả năng chống chuyển pha vượt trội của ống zirconia YSZ 8 mol làm cho cảm biến này cải thiện đáng kể độ ổn định chu kỳ trong các chu kỳ tăng – giảm nhiệt lặp đi lặp lại (ví dụ như khi khởi động và dừng thiết bị đốt công nghiệp) — kết quả thử nghiệm cho thấy, sau 150 chu kỳ ở nhiệt độ cao, độ chính xác phát hiện nồng độ oxy suy giảm ít hơn 10%, trong khi cảm biến YSZ 3 mol suy giảm hơn 25% trong cùng khoảng thời gian; Trong thiết kế cảm biến cấu trúc bọt, độ ổn định chu kỳ (OEC) của chất mang oxy nền YSZ 8 mol có thể đạt trên 90%, vượt xa cảm biến hạt truyền thống.

3. Chống nhiễu và phát hiện chính xác: 8 mol ống gốm YSZ trơ về mặt hóa học, có khả năng chống ăn mòn bởi axit mạnh, bazơ mạnh, sunfua và bụi nóng chảy trong khí thải công nghiệp, từ đó tránh giảm độ nhạy do ô nhiễm chất điện ly; Đồng thời, độ nhẵn bề mặt của ống gốm zirconia (Ra ≤0.8μ m) giúp giảm hấp phụ tạp chất, nhờ đó tốc độ phản ứng của cảm biến nhanh tới 0,1–0,5 giây, độ chính xác phát hiện đạt ±0,1 % thể tích, và hàm lượng oxy vi lượng thấp nhất có thể phát hiện được dưới mức 1 % thể tích, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu khắt khe trong giám sát môi trường và điều khiển công nghiệp chính xác.

4. Tiêu thụ năng lượng thấp và tối ưu hóa khả năng thích nghi: Độ dẫn nhiệt thấp ( 2,0 W/(m ··K) ) của ống YSZ 8 mol giúp giảm tiêu thụ năng lượng ở mô-đun gia nhiệt cảm biến; đồng thời, nhờ thiết kế cấu trúc dị thể nhiều lớp (ví dụ như kết hợp với SndC/AO), nhiệt độ làm việc của cảm biến có thể giảm hơn 200 °C , từ đó làm giảm thêm chi phí vận hành trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác của việc phát hiện.

Dữ liệu: