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        氧探頭是利用氧化鋯陶瓷敏感元件來測量各類應(yīng)用環(huán)境下的氧含量的。
        ZrO₂是典型的離子晶體，ZrO₂中添加的二價(jià)或三價(jià)立方對(duì)稱氧化物，如CaO、MgO、Y2O3和其他三價(jià)稀土氧化物時(shí)，可以使ZrO₂在600℃以上時(shí)成為氧的快離子導(dǎo)體，人們稱它為固體電解質(zhì)。ZrO₂中摻入Y₂O₃使產(chǎn)生氧離子空位和建立全穩(wěn)定立方相結(jié)構(gòu)。ZrO₂固體電解質(zhì)是離子導(dǎo)電體，它是通過晶格內(nèi)的氧離子空位來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的，鋯的導(dǎo)電金屬氧化物的加入使得在ZrO₂晶格中產(chǎn)生了大量的氧離子空位。每加入二個(gè)釔離子就建立一個(gè)氧離子空位，ZrO₂的點(diǎn)缺陷濃度主要取決于添加劑的加入量，ZrO₂的離子導(dǎo)電就是通過ZrO₂內(nèi)的氧離子的遷移來實(shí)現(xiàn)的。這種陶瓷材料對(duì)氧具有高度的敏感性，選擇性很好，用它做成的氧探頭（又稱氧傳感器）廣泛應(yīng)用于工業(yè)爐和環(huán)境保護(hù)。
        氧傳感器的測氧方法是在氧化鋯電解質(zhì)(ZrO₂₎管的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑(Pt)電極，在一定溫度下，當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí)，高濃度一側(cè)(Ⅱ側(cè)Pref)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子(4e)結(jié)合形成氧離子O_2-，使該電極帶正電，氧離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到氧濃度低的一側(cè)（Ⅰ側(cè)PO₂）的Pt電極上放出電子，轉(zhuǎn)化成氧分子，使該電極帶負(fù)電。這樣在兩個(gè)電極間便產(chǎn)生了一定的電動(dòng)勢(shì)，氧化鋯電解質(zhì)、Pt電極及兩側(cè)不同氧濃度的氣體組成了氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。這種電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原動(dòng)力是兩側(cè)電極上氧的化學(xué)位之差。
        在氧探頭中，高濃度一側(cè)氣體用已知氧濃度( Pref)的氣體作為參比氣，如用空氣，則Pref= 20.6%。通過計(jì)算和常數(shù)項(xiàng)合并。則得參比氣為空氣的能斯特公式如下
         e=0. 215t lg0.2095/pO₂
        可見，如果能測出氧探頭的輸出電動(dòng)勢(shì)E和被測氣體的熱力學(xué)溫度T，即可算出被測氣體的氧分壓（濃度）PO₂。在實(shí)際應(yīng)用中，通過檢測氣體的氧電勢(shì)及溫度，通過以能斯特公式為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，就可以推算出被測氣體的氧含量（百分比）。這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測原理。
        直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量。這種檢測方式應(yīng)用在被檢測氣體溫度在700~1150℃（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫）時(shí)，利用被測氣氛的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度，不另外用加熱器，直插式氧探頭的關(guān)鍵技術(shù)是陶瓷材料的高溫密封問題和電極問題。
         一般直插式氧探頭的有效長度在500~1000mm左右，在特殊環(huán)境下的長度可達(dá)1500mm。因此直插式氧探頭很難采用傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的整體管狀結(jié)構(gòu)，而多采取技術(shù)要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)。
        目前最先進(jìn)的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管永久的焊接在一起，其密封性能極佳。與采樣式檢測方式比，氧化鋯直接接觸氣氛，檢測精度高，反應(yīng)速度快，維護(hù)量較小。
        催化劑的催化能力與其表面積有關(guān)，增加催化劑的表面積，是提高反應(yīng)效率的有效手段之一。提高催化劑表面積的最好的方法是“造孔”，催化劑的比表面主要是由微孔的內(nèi)表面積提供的。因此，長期在高溫下工作的多孔Pt電極將會(huì)減小Pt電極的比表面，從而降低其催化能力。另外，電極電孔數(shù)的變化，會(huì)顯著地改變Pt-ZrO₂-氣三相界面的影響速度。
        由于多孔的Pt-ZrO₂的界面在高溫存在元素?cái)U(kuò)散，Zr溶于Pt形成固溶體或Pt3Zr金屬間化合物使晶體結(jié)構(gòu)改變、積炭、堵塞，以及高溫時(shí)效等問題。目前，連續(xù)塊狀合金電極有替代多孔電極的趨勢(shì)。實(shí)踐表明，其催化性能可與多孔Pt電極媲美，而在工作壽命方面，在高溫還原性氣氛下的合金塊狀電極比多孔Pt電極好。
        純ZrO₂有三種晶體結(jié)構(gòu)，三種不同的晶體結(jié)構(gòu)與其轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，對(duì)氧探頭來講，立方相ZrO₂結(jié)構(gòu)存在大量的八面體間隙，氧離子在其中能夠快速擴(kuò)散，由此提高氧化鋯制成氧探頭后的離子電導(dǎo)率和響應(yīng)速度。因此人們制作氧探頭時(shí)，往往使鋯頭的ZrO₂做成立方相結(jié)構(gòu)。
        從熱力學(xué)角度看，這種全穩(wěn)定立方相ZrO₂是一種亞穩(wěn)定相，在一定的溫度條件下會(huì)發(fā)生時(shí)效相變，宏觀表現(xiàn)為電解質(zhì)內(nèi)阻增加，輸出氧電勢(shì)不穩(wěn)定或下降。
        近年來，為了解決立方相高溫?zé)嵴鹦圆畹膯栴}，已經(jīng)開始用部分穩(wěn)定ZrO₂（相對(duì)全穩(wěn)定立方相而言）固體電解質(zhì)制作氧探頭。其晶體結(jié)構(gòu)為四方ZrO₂和單斜ZrO₂的混合體，在一定溫度或應(yīng)力作用下，四方ZrO₂按馬氏體相變方式向單斜ZrO₂轉(zhuǎn)化，此時(shí)需吸收能量。這就是陶瓷材料領(lǐng)域中的所謂部分穩(wěn)定ZrO₂有相變?cè)鲰g的特性，這種機(jī)制和金屬材料中的TRIP鋼韌化機(jī)制完全一樣的?？煽貧夥昭跆筋^使用時(shí)間要求超過一年，用部分穩(wěn)定ZrO₂制作可控氣氛氧探頭目前已在生產(chǎn)實(shí)踐中成功應(yīng)用。
        氧探頭的工作應(yīng)用
        利用能斯特公式可推導(dǎo)出氧電勢(shì)與碳活度、Pco、T之間的關(guān)系，它們的關(guān)系中，碳活度ac=Cp/Cs，Cp為爐氣碳勢(shì)，Cs為在T溫度下鋼中的飽和含碳量，Pco為爐氣中CO分壓。在平衡條件下，Pco很穩(wěn)定，利用氧電勢(shì)和溫度就可準(zhǔn)確地測出碳勢(shì)。
        在非平衡條件下或N₂基氣氛下，Pco和PH2不穩(wěn)定，紅外法和露點(diǎn)法已不適用，而加上Pco（用紅外儀測出）補(bǔ)償，進(jìn)一步修正能斯特公式，氧探頭仍可以準(zhǔn)確地進(jìn)行碳勢(shì)控制，這對(duì)高溫高碳濃度滲碳是非常重要的。