Introduction: Capteurs d'oxygène Ce sont des instruments qui communiquent des informations en analysant les gaz issus des émissions de fumées automobiles et industrielles. Il existe différents types de capteurs d'O₂, notamment ceux des analyseurs catalytiques automobiles et des analyseurs d'oxygène industriels.
FIG 1 : Un capteur d'oxygène automobile
Capteurs d'oxygène fonctionner efficacement à 650°C, ce qui les rend idéaux pour les applications à haute température. Il est recommandé de choisir des capteurs offrant un temps de réponse inférieur à 10 secondes et une durée de vie allant jusqu'à 10 ans en conditions propres.
Que vous souhaitiez optimiser la combustion dans une centrale électrique ou garantir la sécurité des procédés chimiques, les capteurs d'oxygène à base de zircone sont des outils essentiels. Mais au-delà des spécificités techniques, ce qui compte vraiment, c'est l'intégration de ces capteurs à votre activité et leur provenance.
Vous devez également prendre en compte leur coût et leur impact sur votre objectif.
Cet article met en évidence les bases et les considérations pratiques pour les acheteurs qui souhaitent investir dans des capteurs d’oxygène en zircone de haute qualité.
Le zirconium est une céramique avancée et un matériau semi-conducteur utilisé pour la production de bijoux, d'abrasifs, de matériaux résistants au feu, ainsi que de glaçure pour les produits en porcelaine. L'oxyde de zirconium stabilisé sert de Revêtement de barrière thermique (TBC) pour machines à haute température.
Les substrats en zirconium sont d’excellents choix comme revêtement céramique de substances.
Les articles revêtus d'oxyde de zirconium sont dotés de caractéristiques distinctes de durabilité, de résistance, de capacité à résister à l'usure ainsi qu'à la corrosion.
Cependant, comme pour tout autre produit industriel, on craint que les revêtements céramiques des matériaux ne s'usent après une utilisation prolongée. C'est pour réduire l'incidence de l'écaillage et de l'usure de ces matériaux qu'il est nécessaire de stabiliser la zircone.
FIG 2 : Une lame en zircone
La stabilisation de l'oxyde de zircone est réalisée afin de maximiser l'utilisation des excellentes propriétés de ce matériau céramique avancé. L'oxyde de zirconium O2 non stabilisé est peu fiable car il ne se présente pas sous une seule phase. L'oxyde de zirconium présente trois phases transitoires : monoclinique, tétragonale et cubique.
La caractéristique la plus fiable de l'oxyde de zirconium, indispensable à son utilisation dans les analyseurs d'oxygène, est sa phase cubique. Le processus de stabilisation transforme donc l'oxyde de zirconium en sa forme utilisable, la structure cristalline cubique.
Comment la zircone est stabilisée
La stabilisation de l'oxyde de zirconium est facilitée par la combinaison du substrat d'oxyde de zirconium avec l'yttrium. L'yttrium agit comme un alliage avec l'oxyde de zirconium. Les alliages résultent de la combinaison d'ions métalliques ou non métalliques, ce qui leur confère des propriétés améliorées. L'yttrium remplace certains ions dans l'oxyde de zirconium.
La combinaison d'oxyde de zirconium et d'yttrium donne du YSZ qui est Zircone stabilisée YitriaÀ ce niveau, l'oxyde de zirconium est renforcé et transformé en un matériau céramique plus avancé, capable de résister à des températures plus élevées, à la corrosion et à l'usure dues à une utilisation prolongée.
Attributs de la zircone stabilisée à l'yttrium
L'oxyde de zircone stabilisé présente une structure solide. Cela s'explique par la forte teneur en yttrium du zirconium O2. Cette substance est donc résistante et idéale pour la découpe de métaux difficiles. Il résiste aux températures élevées. Il conduit très bien l'oxygène et résiste à la corrosion par certains acides et sels.
FIG 3 : Structure physique de la zircone stabilisée à l'yttrium
Le zirconium O2 stabilisé est très résistant. L'oxyde de zirconium conserve ses propriétés céramiques avancées, ce qui explique son choix comme matériau de revêtement. Cependant, le processus de stabilisation lui confère une résistance accrue.
Quand Zircone stabilisée à l'yttrium Utilisé dans des conditions de températures extrêmes, il résiste à l'usure. C'est pourquoi il est particulièrement adapté à la fabrication de sondes à oxygène intégrées aux pots d'échappement des automobiles. Malgré une utilisation fréquente et même lorsque le carburant utilisé n'est pas optimisé pour la combustion, il protège vos moteurs des dommages.
Par exemple, les moteurs d'avion et les turbines à gaz sont revêtus de substances céramiques qui les aident à résister à la pression et à la corrosion. Cependant, une utilisation prolongée de ces machines revêtues de céramique entraîne une usure. Les revêtements en zircone stabilisée allient robustesse, faible conductivité thermique, résistance à la corrosion et au frittage pour préserver les machines.
La zircone stabilisée est souvent associée à l'yttrium ou à la magnésie pour améliorer sa conductivité ionique. Elle agit comme électrolyte solide dans les capteurs d'oxygène. À haute température, elle permet aux ions oxygène de migrer, générant un signal de tension correspondant aux niveaux d'oxygène dans le gaz environnant.
Ce principe, qui trouve ses racines dans l’électrochimie, a été perfectionné au fil des décennies pour un usage industriel.
Voici comment fonctionne un capteur d'oxygène en zircone. Deux électrodes poreuses en platine enserrent une couche de zircone stabilisée. Une face est exposée à un gaz de référence (généralement de l'air), tandis que l'autre est orientée vers le gaz échantillon. La différence de pression partielle d'oxygène crée une force électromotrice, suivant l'équation de Nernst, qui se traduit par une tension mesurable.
La tension varie de 0 à 1,2 V, selon la concentration en oxygène. Cette tension est stable et linéaire pour les modèles industriels, ce qui facilite leur intégration dans les systèmes de contrôle.
1. Capteur d'oxygène Titania : Également appelée sonde lambda, elle ne génère pas sa propre tension. La sonde à oxygène en titane crée une résistance électrique liée à la circulation de l'oxygène dans le pot d'échappement d'un véhicule. La détection de l'O₂ par cet appareil est indépendante de l'air atmosphérique.
Ce capteur utilise de l'oxyde de titane pour envoyer des signaux à l'unité de commande du moteur (ECU) et pour avertir de toute anomalie dans le système de combustion de l'automobile. L'ECU, à la réception du signal, ajuste le rapport air/carburant à la mesure correcte.
Une attention particulière doit être portée à l'utilisation d'un capteur en oxyde de titane, car il est sujet à l'usure. Les sources de dégradation d'un capteur en oxyde de titane incluent une mauvaise connexion des fils et des circuits, des dommages physiques accidentels, ainsi qu'un contact avec de l'huile contaminée.
2. Capteur d'oxygène à large bande Ce capteur règle avec précision les systèmes d'alimentation en carburant et fournit une estimation précise du rapport air/carburant du moteur. Il permet de déterminer précisément ce rapport lors des changements de rapport importants, comme les accélérations. Il est composé d'une cellule de pompage, d'une chambre à air de référence, d'une cellule Nernst et d'un élément chauffant.
La chambre à air sert de point de référence pour mesurer les niveaux d'oxygène par rapport à l'air ambiant. La cellule de pompage détermine la concentration d'oxygène dans l'air traversé par le courant de pompage. La cellule Nernst mesure la différence de niveaux d'oxygène entre l'air vicié et l'air ambiant, tandis que l'élément chauffant régule la température du capteur.
FIG. 4 : Un analyseur d’oxygène à large bande.
3. Capteur d'oxygène à bande étroite utilise du dioxyde de zirconium pour générer de la chaleur lorsque différents niveaux d'oxygène y sont exposés. Il surveille la composition des gaz d'échappement afin de réduire les émissions dangereuses de votre véhicule. Cela garantit une combustion efficace du moteur et préserve le bon fonctionnement du convertisseur catalytique.
La sonde lambda à bande étroite est installée dans le pot d'échappement d'une automobile. Elle est bidirectionnelle : une face est orientée vers l'air extérieur, tandis que l'autre est orientée vers le compartiment d'échappement. Plus abordable et plus répandue que les autres sondes lambda, elle est toutefois moins économe en énergie que les sondes à large bande.
FIG 5 : Capteur d'oxygène installé dans un moteur d'automobile.
4. Capteur d'oxygène chauffé Mesure la température d'un système ou d'un espace, utilisée dans les applications industrielles, automobiles et grand public. Également appelé thermocouple, il mesure l'activité atomique à l'intérieur d'un objet. Lorsqu'un objet ne ressent aucune sensation de chaleur, on peut supposer qu'il n'y a pas d'activité atomique.
Dès que de la chaleur est appliquée, les atomes se mettent en mouvement dans l'objet, ce qui provoque une sensation de chaleur. La chaleur émise par un objet est également appelée signature infrarouge. C'est pourquoi les lunettes de vision nocturne sont équipées de lunettes infrarouges pour nous aider à voir dans l'obscurité.
5. Capteur d'oxygène planaire Doté d'une conception et d'une densité discrètes, il permet de surveiller les réactions des feuilles à la lumière ou à l'obscurité pendant la photosynthèse. Il est généralement utilisé pour les expériences biologiques.
6. Capteur d'oxygène en zircone : La zircone est un élément métallique utilisé dans l'industrie céramique de pointe pour produire des matériaux durables et résistants. L'association du zirconium avec l'oxygène produit de l'oxyde de zirconium, également appelé dioxyde de zirconium, qui prend la forme chimique de ZrO₂.
Applications industrielles des capteurs en zircone
Dans le domaine de la surveillance des gaz industriels, peu de matériaux se sont avérés aussi fiables et polyvalents que la zircone stabilisée. Ce composé céramique constitue la base de nombreux capteurs d'oxygène, permettant des mesures précises dans des environnements difficiles où la précision est essentielle à la réussite ou à l'échec des opérations.
FIG. 6 : Un analyseur d'oxygène industriel
Les capteurs d'oxygène en zircone stabilisée sont particulièrement fiables pour surveiller les niveaux d'O₂ dans les gaz d'échappement, les chaudières et les fours en milieu industriel. Les centrales électriques les utilisent pour affiner la combustion, réduisant ainsi le gaspillage de combustible et les émissions. Dans l'industrie pétrolière et gazière, ils sont utilisés pour la surveillance des torchères.
L'industrie chimique s'appuie sur ces capteurs pour le contrôle des procédés dans les réacteurs, où une analyse précise de l'oxygène prévient les explosions et les dysfonctionnements. Les installations de biomasse et de valorisation énergétique des déchets en bénéficient également, car les analyseurs d'oxygène en zircone gèrent les environnements sales et à forte teneur en particules sans remplacements fréquents.
Les laboratoires d'essais automobiles les utilisent également pour l'analyse des émissions. Cependant, leur utilisation réelle provient de l'industrie lourde. Les analyseurs d'oxygène en zircone sont essentiels pour la surveillance continue de l'oxygène. Pour des besoins spécifiques, les versions haute température supportent jusqu'à 1 700 °C, ce qui les rend idéales pour la fusion ou le traitement des métaux.
FIG 7 : Analyseur d'oxygène dans un laboratoire d'essais
La poussée du marché pour les capteurs d'oxygène en zirconium
La poussée vers l’efficacité énergétique ainsi que l’application de normes plus strictes en matière d’émissions de gaz ont augmenté la demande de capteurs d’oxygène en zirconium. Le marché a été évalué à environ $1,5 million en 2024. La valeur marchande devrait atteindre ou dépasser $2,5 milliards en 2033. Ces estimations sont faites à un taux de croissance composé (TCAC) de 6,5%.
FIG 8 : Vaisseau spatial construit avec un revêtement de barrière thermique
Conclusion : Que vous soyez fabricant de capteurs d'oxygène en zircone, propriétaire d'une voiture ou mécanicien, cet article est pour vous. Chez ggsceramics, nous proposons des matériaux précis et de haute qualité. Nos produits s'intègrent parfaitement à vos systèmes. Rendez-nous visite dès aujourd'hui et obtenez votre céramique de zirconium à des prix excellents et abordables.