Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/22961
Title: Papel do eletrólito e elétrodos na performance de sensores de oxigénio
Author: Rondão, Ana Inês Batista Lourenço
Advisor: Marques, Fernando Manuel Bico
Dias, Diamantino Manuel da Cunha
Keywords: Ciência e engenharia de materiais
Óxido de zircónio
Expansão térmica
Oxigénio - Sensores
Defense Date: 30-Jan-2018
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: Os sensores de oxigénio são instrumentos de uso comum em diversos setores da indústria, em particular para controlo da atividade de oxigénio no aço fundido. O rigor da medição está intrinsecamente ligado às propriedades dos seus componentes, nomeadamente eletrólito e elétrodos. É neste âmbito que surge este trabalho, em parceria com a Rauschert Portuguesa, visando criar uma base de conhecimento sólida sobre este tipo de sensores. O eletrólito típico usado nestes sensores é a zircónia parcialmente estabilizada com magnésia (Mg-PSZ), devido a uma excelente combinação de propriedades, em grande parte relacionadas com o teor de fases cristalinas (monoclínica (C), tetragonal (T) e cúbica (C)). Na Mg-PSZ a percentagem de cada fase e a sua distribuição em termos microestruturais dependem da composição química e da temperatura máxima de sinterização, mas também das condições de arrefecimento. O estudo das relações entre composição, processamento e propriedades da Mg-PSZ foi o objetivo central deste trabalho. Prepararam-se materiais com composições entre os 2,5 e os 10% (percentagem molar) de MgO, sinterizados a 1700 °C, mas envolvendo diferentes perfis de arrefecimento. Estes materiais, juntamente com outros disponíveis no mercado ou fornecidos pela empresa (com reserva de informação sobre composição e processamento), foram primeiramente caracterizados por difração de raios-X (DRX), microscopia eletrónica de varrimento (MEV) e análise térmica dilatométrica (DIL). A caracterização elétrica incluiu espectroscopia de impedância (EI), condutividade total (usando uma técnica de 4 elétrodos), e determinação do limite inferior do domínio iónico (usando uma célula de concentração). Nos dois últimos casos usaram-se células de medição inteiramente desenvolvidas neste trabalho. Os resultados confirmaram um efeito composicional acentuado, mas igualmente uma forte relevância do perfil de arrefecimento no teor de fases, comportamento térmico e microestrutura. A caracterização elétrica evidenciou a complexidade dos efeitos composicionais e microestruturais, e originou alguma reflexão original face aos modelos usuais de tratamento desta informação. A quantificação de fases assumiu e assume grande importância na avaliação destes materiais, tendo sido desenvolvida uma metodologia original de tratamento de resultados de DIL que permite ultrapassar as limitações de análises superficiais envolvendo técnicas convencionais. Abre-se também assim uma porta para um estudo cinético mais detalhado sobre as transições de fases neste sistema. A determinação do limite inferior do domínio iónico, utilizando elétrodos com base no Al, revelou-se bastante eficaz face às técnicas geralmente utilizadas, permitindo demonstrar que os materiais ensaiados se posicionam de forma muito confortável face a materiais alternativos. Alguns testes com sensores, usando pares metal/óxido metálico como referência, confirmaram mais uma vez o bom posicionamento competitivo dos materiais ensaiados em termos de sinal e resistência ao choque térmico.
Oxygen sensors are instruments commonly used in various industrial sectors, in particular to control the oxygen activity in molten steel. The accuracy of the measurement is intrinsically linked to the properties of the sensor components, namely electrolyte and electrodes. This work, in partnership with Rauschert Portuguesa, is conceived to create a sound knowledge on this type of sensors. The typical electrolyte used in these sensors is partially stabilized zirconia with magnesia (Mg-PSZ), due to an excellent combination of properties, largely related to the content of crystalline phases (monoclinic (M), tetragonal (T) and cubic (C)). In Mg-PSZ the percentage and distribution of each phase in microstructural terms depend on the chemical composition and maximum sintering temperature, but also on cooling conditions. The study of the relationships between composition, processing and properties of Mg-PSZ was the central objective of this work. Several materials were prepared with compositions ranging from 2.5 to 10% (molar percentage) of MgO, sintered at 1700 °C, but involving different cooling profiles. These materials, along with others available in the market or supplied by the company (involving private information on composition and processing), were primarily characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and dilatometric thermal analysis (DIL).The electrical characterization included impedance spectroscopy (EI), total conductivity (using a 4 probe technique), and determination of the lower limit of the ionic domain (using a concentration cell). In the latter two cases, specific measurement cells were fully developed in this work. The results confirmed a strong compositional effect, but also a clear relevance of the cooling profile on phase content, thermal behavior and microstructure. The electrical characterization evidenced the complexity of the compositional and microstructural effects, and originated some original reflection with respect to the usual treatment of this information. Phase quantification was and is of great importance in the assessment of these materials. An original methodology of treatment of DIL data was developed circumventing the limitations of surface (only) analyses involving conventional techniques. This solution can be further used in detailed kinetic studies on phase transformations in this system. The determination of the lower limit of the ionic domain, using Al-based electrodes, proved to be quite effective against the techniques generally used, allowing to demonstrate that the tested materials are well positioned against alternative materials. Some sensor tests using metal/metal oxide reference couples confirmed again the good competitive positioning of the materials hereby tested in terms of signal and resistance to thermal shock.
Description: Doutoramento em Ciência e Engenharia de Materiais
URI: http://hdl.handle.net/10773/22961
Appears in Collections:UA - Teses de doutoramento
DEMaC - Teses de doutoramento

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
tese.pdf10.02 MBAdobe PDFembargoedAccess


FacebookTwitterLinkedIn
Formato BibTex MendeleyEndnote Degois 

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.