導入： 酸素センサー 自動車や工場から排出される排ガスを分析し、情報を伝達する機器です。O2センサーには様々な種類があり、自動車用触媒分析装置や工業用酸素分析装置に搭載されているものまで様々です。
図1: 自動車用酸素センサー
酸素センサー 650°Cで効果的に動作する高温アプリケーションに最適です。応答時間が10秒未満で、クリーンな環境下で最長10年の寿命を持つセンサーをお選びいただくことをお勧めします。
発電所の燃焼を最適化する場合でも、化学プロセスの安全性を確保する場合でも、ジルコニアベースの酸素センサーは不可欠なツールです。しかし、技術的な専門性を超えて、本当に重要なのは、これらのセンサーがお客様のビジネスにどのように適合するか、そしてどこから調達するかです。
また、それらのコストとそれが目的にどのような影響を与えるかを考慮する必要があります。
この記事では、高品質のジルコニア酸素センサーに投資したい購入者向けに、基礎と実用的な考慮事項について説明します。
ジルコニウムは高度なセラミックであり、宝石、研磨剤、耐火材料、磁器製品の釉薬の製造に使用される半導体材料です。安定化ジルコニア酸化物は、 遮熱コーティング（TBC） 高熱機械用。
ジルコニウム基板は、物質のセラミックコーティングとして最適な選択肢です。
酸化ジルコニウムでコーティングされたアイテムには、耐久性、強度、摩耗や損傷への耐性、耐腐食性などの独特の特徴が備わっています。
しかし、他の工業製品と同様に、長期間の使用によりセラミックコーティングが剥がれてしまう懸念があります。これらの材料における剥離や摩耗の発生を抑えるためには、ジルコニアを安定化させる必要があります。
図2: ジルコニアブレード
ジルコニア酸化物の安定化は、この先進セラミック材料の優れた特性を最大限に引き出すために行われます。安定化されていないジルコニアO2は、単一の相として存在しないため、使用には適していません。ジルコニア酸化物は、単斜晶系、正方晶系、立方晶系の3つの遷移相を示します。
酸素分析装置での使用に求められる酸化ジルコニウムの最も信頼性の高い特性は、その立方晶相です。そのため、安定化プロセスによって酸化ジルコニウムは使用可能な形態、すなわち立方晶構造へと変化します。
ジルコニアの安定化方法
酸化ジルコニウムの安定化は、酸化ジルコニウム基質とイットリウムの組み合わせによって促進されます。イットリウムは酸化ジルコニウムと合金として作用します。合金は金属イオンまたは非金属イオンの組み合わせによって生成され、特性が向上します。イットリウムは酸化ジルコニウム中のいくつかのイオンを置換します。
酸化ジルコニウムとイットリウムを組み合わせるとYSZが生成され、 イトリア安定化ジルコニアこのレベルでは、ジルコニア酸化物は強化され、より高度なセラミック材料に変換され、長期間の使用による高温、腐食、摩耗に耐える能力を備えています。
イットリア安定化ジルコニアの特性
安定化酸化ジルコニアは構造的に強固です。これは、ジルコニウムO2と結合したイットリウムが強固であるためです。そのため、この物質は強靭で、難削材の切削に適しています。高温条件にも耐えることができます。酸素を非常に効率的に伝導し、特定の酸や塩に対する耐腐食性も備えています。
図3: イットリア安定化ジルコニアの物理的構造
安定化ジルコニウムO2は非常に強度が高いです。ジルコニウムO2は、その高度なセラミック特性をそのまま保持しており、コーティング材として選ばれています。さらに、安定化処理によってさらなる強度が得られます。
いつ イットリア安定化ジルコニア 非常に過酷な温度条件下でも、摩耗や損傷に耐えることができます。そのため、自動車の排気管に設置される酸素センサーの製造に最適です。頻繁に使用され、また使用する燃料が燃焼に最適化されていない場合でも、エンジンを損傷から保護します。
例えば、航空機やガスタービンのエンジンは、圧力や腐食に耐えるセラミック物質でコーティングされています。しかし、これらのセラミックコーティングされた機械は、長期間使用すると摩耗や損傷が発生します。安定化ジルコニアコーティングは、靭性、低熱伝導性、耐腐食性、そして焼結性を兼ね備えており、機械の耐久性を高めます。
安定化ジルコニアは、イオン伝導性を高めるためにイットリアやマグネシアと組み合わせられることが多く、酸素センサーにおいて固体電解質として機能します。高温下では酸素イオンの移動を許容し、周囲のガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を生成します。
電気化学に根ざしたこの原理は、産業用途向けに数十年にわたって改良されてきました。
ジルコニア酸素センサーの仕組みはこうです。2つの多孔質白金電極が安定化ジルコニア層を挟んでいます。片側は参照ガス（通常は空気）に、もう片側はサンプルガスに接しています。酸素分圧の差によってネルンストの式に従って起電力が生じ、測定可能な電圧に変換されます。
電圧は酸素濃度に応じて0ボルトから1.2ボルトの範囲で変化します。この電圧は産業用モデルとして安定しており、直線性も高いため、制御システムへの統合が容易です。
1.チタニア酸素センサー： これはラムダセンサーとも呼ばれます。このセンサーは電圧を発生しません。代わりに、チタン製酸素センサーは、自動車機械の排気管内を循環する酸素に電気抵抗を発生させます。このデバイスによる酸素ガスの検出は、大気の影響を受けません。
このセンサーは酸化チタンを使用してエンジン制御ユニット (ECU) に信号を送信し、自動車の燃焼システムの異常を警告します。ECU は信号を受信すると、空気と燃料の比率を正しい測定値に調整します。
酸化チタンセンサーは摩耗しやすいため、使用には注意が必要です。酸化チタンセンサーの劣化の原因としては、配線や回路の接続不良、偶発的な物理的損傷、汚染されたオイルとの接触などが挙げられます。
2. 広帯域酸素センサー 燃料供給システムを正確に調整し、エンジンの空燃比を正確に推定します。このセンサーは、加速などの主要なギア操作時に、空燃比を正確に測定することを可能にします。ポンプセル、基準空気室、ネルンストセル、ヒーターエレメントで構成されています。
エアチャンバーは、周囲空気に対する酸素濃度を測定するための基準点として機能します。ポンプセルは、ポンピング電流を通して通過する空気中の酸素濃度を測定します。ネルンストセルは排気ガスと周囲空気の酸素濃度の差を測定し、ヒーターエレメントはセンサーの温度を調節します。
図4: 広帯域酸素分析装置。
3. 狭帯域酸素センサー 二酸化ジルコニウムを使用し、異なる酸素濃度にさらされると熱を発生させます。排気ガスの組成を監視し、車から排出される有害な排出物を削減します。これにより、車のエンジンは効率的な燃焼を行い、触媒コンバーターを良好な状態に保ちます。
ナローバンド酸素センサーは、自動車の排気口に取り付けられます。両面に取り付けられており、片面は外気を基準として、もう片面は排気管に面しています。他のタイプの酸素センサーよりも手頃な価格で、広く使用されています。ただし、ワイドバンド酸素センサーほど省エネではありません。
図 5: 自動車エンジンに取り付けられた酸素センサー。
4. 加熱酸素センサー システムまたは空間の温度を測定し、産業、自動車、民生用途で使用されます。熱電対とも呼ばれ、物体内部の原子活動量を測定し、物体が熱く感じられない場合、その物体内部には原子活動がないと推定できます。
熱が加えられるとすぐに、物体内の原子が動き始め、私たちは熱感覚として認識します。物体から放出される熱は、赤外線シグネチャーとも呼ばれます。そのため、暗闇でも物を見ることができるように、暗視ゴーグルには赤外線グラスが取り付けられています。
5. 平面酸素センサー 薄型設計と高密度設計を特徴とし、光合成中の光または暗条件に対する葉の反応を観察するために使用されます。主に生物学実験に使用されます。
6. ジルコニア酸素センサー： ジルコニアは、先端セラミック産業において耐久性と長寿命性を備えた材料の製造に使用される金属元素です。ジルコニウムが酸素と結合すると、酸化ジルコニウム（別名二酸化ジルコニウム）となり、化学式はZrO2となります。
ジルコニアセンサーの産業用途
産業用ガスモニタリングの世界において、安定化ジルコニアほど信頼性と汎用性が実証された材料はほとんどありません。このセラミック化合物は多くの酸素センサーの基盤を形成し、精度が運用の成否を左右する過酷な環境下でも高精度な測定を可能にします。
図6: 工業用酸素分析装置
安定化ジルコニア酸素センサーは、産業分野における排ガス、ボイラー、炉内の酸素濃度の監視に最も信頼性が高く、発電所では燃焼の微調整に使用され、燃料の無駄や排出量を削減します。石油・ガス業界では、フレアスタックの監視に使用されています。
化学製造業では、反応炉のプロセス制御にこれらのセンサーが利用されており、正確な酸素分析によって爆発や効率の低下を防いでいます。バイオマス施設や廃棄物発電施設でも、ジルコニア酸素分析装置は汚れや微粒子の多い環境でも頻繁に交換することなく使用できるため、大きなメリットがあります。
自動車試験機関でも排ガス分析に使用されています。しかし、実際には、重機業界からの需要が中心です。ジルコニア式酸素分析装置は、酸素の連続モニタリングに非常に重要です。特殊なニーズに対応するため、高温対応タイプは最大1,700℃まで耐えられるため、溶解や金属加工に最適です。
図7: 試験室の酸素分析装置
ジルコニウム酸素センサーの市場動向
エネルギー効率の向上とガス排出に関するより厳しい基準の施行により、ジルコニウム酸素センサーの需要が増加しています。 市場は 市場価値は、2024年に約$150万に達すると予測されています。市場価値は、2033年には$25億以上に上昇すると予測されています。これらの推定は、6.5%の複合成長率（CAGR）に基づいています。
図8: 遮熱コーティングを施した宇宙船
結論：ジルコニア酸素センサーメーカー、自動車オーナー、整備士など、どなたでもこの記事は役立ちます。ggsceramicsでは、精密で高品質な材料をご提供しています。当社の製品はお客様のシステムにシームレスに統合されます。ぜひお気軽にお問い合わせください。 ジルコニウムセラミック 優れた手頃な価格で。