Sensores de oxigénio para uso industrial

Abstract

O presente trabalho incidiu sobre uma família de eletrólitos sólidos cerâmicos à base de óxido de zircónio, incluindo ainda óxido de magnésio como dopante, normalmente designados de Mg-PSZ (zircónia parcialmente estabilizada com magnésia). Dependendo da composição e condições de processamento (perfil de sinterização) estes materiais podem exibir interessantes combinações de propriedades mecânicas, térmicas e elétricas que permitem a sua utilização no fabrico de sensores de oxigénio para metais fundidos. O uso de sensores é hoje essencial numa lógica de controlo de processo e eficiência energética. No sentido de tentar compreender como influenciar estas propriedades, exploraram-se diversos níveis de dopante (de 2,5 até 10 mol%, com acréscimos de 2,5 mol% de MgO), diversas velocidades de arrefecimento (2, 3 e 5 °C.min-1) a partir de uma condição igual de patamar de sinterização (1700 °C, 3 horas), e ainda alguns ciclos de sinterização mais complexos, com patamares intermédios inseridos no processo de arrefecimento, com o objetivo de tentar alterar os processos de nucleação e crescimento de fases. Na realidade, as transformações de fases a que este tipo de materiais se encontra sujeito (cúbica  tetragonal  monoclínica, para temperaturas decrescentes), possuem diferentes velocidades características (uma é difusiva a outra displaciva), permitindo este tipo de condicionamento. Os materiais obtidos foram alvo de caracterização estrutural e microestrutural, complementada por um conjunto de outras técnicas de caracterização física como a espectroscopia de impedância, dilatometria e dureza. Os resultados obtidos confirmam a complexidade das relações entre processamento e comportamento mas permitiram identificar condições de potencial interesse prático para as aplicações em vista.

This work focused on a family of ceramic solid electrolytes based on zirconium oxide, also including magnesium oxide as dopant, typically designated as Mg-PSZ (magnesia partially stabilized zirconia). Depending on the composition and processing conditions (sintering profile) these materials may exhibit interesting combinations of mechanical, thermal and electrical properties that enable their use in the manufacture of oxygen sensors for molten metals. Nowadays the utilization of sensors is essential as part of process control and energy efficiency. In order to try to understand how to influence these properties, different levels of dopant (2.5 to 10 mol%, in increments of 2.5 mol% MgO) were explored, also various cooling rates (2, 3, and 5 °C.min-1) starting from the same sintering condition (1700 °C, 3 hours). Also exploited some more complex sintering cycles with intermediate plateaus inserted in the cooling process, to try to influence phase nucleation and growth. In reality, the phase transformations faced by this type of materials (cubic  tetragonal  monoclinic, with decreasing temperature), have different characteristic rates (one is diffusive and the other displacive), allowing this type of influence. The obtained materials were subjected to structural and microstructural characterization, complemented by a set of other physical characterization techniques such as impedance spectroscopy, hardness and dilatometry. The results confirm the complexity of the relationships between processing and performance but also identified interesting conditions to be further considered for potential applications.