Твердоэлектролитный датчик активности кислорода для сильно агрессивных сред

Одним из направлений современной науки является разработка энергосберегающих и экологически чистых технологий. Использование кислородных датчиков в различных теплоэнергетических установках позволяет значительно сократить расход топлива, а также повысить экологические характеристики. Датчики с твердыми электролитами на основе ZrO₂, используемые в настоящее время имеют ряд существенных минусов: недостаточная химическая устойчивость в сильно агрессивных средах, низкая термостойкость, наличие электронной проводимости в сильно восстановительных атмосферах. Данные проблемы предлагается решить путем замены циркониевого электролита на твердый электролит на основе HfO₂

Целью настоящего проекта является разработка датчика активности кислорода с твердым электролитом на основе HfO₂ для промышленных и лабораторных применений в сильно агрессивных средах: сухой водород, расплавы щелочных металлов и солей, аммиачные среды.

Одна из важнейших задач настоящего проекта заключалась в создании твердого электролита на основе HfO₂, обладающего стабильной структурой, применение которого, без снижения проводимости по сравнению с лучшими аналогами, не сопровождается растрескиванием керамики и отслаиванием электродов

В ходе выполнения проекта проведен синтез ряда керамических образцов твердых электролитов в системе HfO₂-Y2O₃-Sc₂O₃, изучен их фазовый состав, определены коэффициенты линейного расширения (ТКЛР), проведены измерения температурных зависимостей электропроводности

Синтез образцов на основе HfO₂ проведен твердофазным методом. Спрессованные со связкой в стальной пресс-форме (Р=200 МПа) образцы спекали при температуре 1900 ^oС в вакуумной печи с вольфрамовыми нагревателями в течение 1 часа. Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов проводили на рентгеновском дифрактометре DMAX 2200 фирмы Rigaku mark в CuК-излучении с монохроматором. Дилатометрические измерения проводили на автоматической установке с использованием высокоточного программируемого терморегулятора Термодат-16, кварцевого дилатометра и цифрового измерителя TesatronicTT-80. Электропроводность измеряли на постоянном токе четырехзондовым компьютеризированным методом (значения сопротивлений исследуемых образцов при каждой температуре рассчитывались по тангенсу угла наклона вольтамперной зависимости, состоящей из пяти точек).

В отличие от наиболее близких аналогов, отвечающих формуле (1-х)HfO₂+х₅c₂O₃, имеющих ромбоэдрически искаженную структуру типа флюорита и испытывающих структурные превращения, полученные электролиты имеют стабильную кубическую структуру типа флюорита и не испытывают структурных превращений, имея при этом проводимость, сравнимую с электропроводностью цирконий-иттриевого электролита. Температурный коэффициент линейного расширения твердых электролитов хорошо сопоставим с керамикой на основе Al₂O₃.

На основе полученного материала была разработана конструкция датчика для определения состава газовой фазы (рис. 1) Датчик предназначен для определения парциального давления кислорода рО2 непосредственно в обеспыленных газовых смесях, и способен измерять рО2 в диапазоне от чистого кислорода (рО₂=1 атм) до сильно восстановительных сред, содержащих водород, азот, водяной пар. Технические характеристики датчика: рабочая температура – 500–700° С; диапазон измерений ЭДС – от 0 до 1300 мВ; входное сопротивление внешнего измерительного прибора не ниже 10 Мом; длина погружной части – 350 мм; газ сравнения – воздух. Лабораторные испытания продемонстрировали, что показания сконструированного датчика практически соответствуют показаниям контрольного датчика на основе диоксида циркония

Разработанные датчики активности кислорода могут применяться в самых разнообразных теплоэнергетических установках, устройствах для контроля состава защитных и технологических газовых сред в электронной промышленности и процессах термохимической обработки материалов, обжиговых печах керамической промышленности, где требуется высокая надежность и устойчивость к разнообразным внешним условиям: механическим нагрузкам, высоким температурам, агрессивным средам.

По результатам работы подготовлены заявки на патенты на состав твердого электролита и конструкцию датчика