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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中添加的二價或三價立方對稱氧化物，如CaO、MgO、Y2O3和其他三價稀土氧化物時，可以使ZrO₂在600℃以上時成為氧的快離子導體，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)是離子導電體，它是通過晶格內(nèi)的氧離子空位來實現(xiàn)導電的，鋯的導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。每加入二個釔離子就建立一個氧離子空位，ZrO₂的點缺陷濃度主要取決于添加劑的加入量，ZrO₂的離子導電就是通過ZrO₂內(nèi)的氧離子的遷移來實現(xiàn)的。這種陶瓷材料對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）廣泛應用于工業(yè)爐和環(huán)境保護。
        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，當電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時，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，使該電極帶負電。這樣在兩個電極間便產(chǎn)生了一定的電動勢，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。這種電池電動勢產(chǎn)生的原動力是兩側(cè)電極上氧的化學位之差。
        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%。通過計算和常數(shù)項合并。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勢E和被測氣體的熱力學溫度T，即可算出被測氣體的氧分壓（濃度）PO₂。在實際應用中，通過檢測氣體的氧電勢及溫度，通過以能斯特公式為基礎的數(shù)學模型，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，利用被測氣氛的高溫使氧化鋯達到工作溫度，不另外用加熱器，直插式氧探頭的關鍵技術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，反應速度快，維護量較小。
        催化劑的催化能力與其表面積有關，增加催化劑的表面積，是提高反應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擴散，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。實踐表明，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，對氧探頭來講，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散，由此提高氧化鋯制成氧探頭后的離子電導率和響應速度。因此人們制作氧探頭時，往往使鋯頭的ZrO₂做成立方相結(jié)構(gòu)。
        從熱力學角度看，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發(fā)生時效相變，宏觀表現(xiàn)為電解質(zhì)內(nèi)阻增加，輸出氧電勢不穩(wěn)定或下降。
        近年來，為了解決立方相高溫熱震性差的問題，已經(jīng)開始用部分穩(wěn)定ZrO₂（相對全穩(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，在一定溫度或應力作用下，四方ZrO₂按馬氏體相變方式向單斜ZrO₂轉(zhuǎn)化，此時需吸收能量。這就是陶瓷材料領域中的所謂部分穩(wěn)定ZrO₂有相變增韌的特性，這種機制和金屬材料中的TRIP鋼韌化機制完全一樣的。可控氣氛氧探頭使用時間要求超過一年，用部分穩(wěn)定ZrO₂制作可控氣氛氧探頭目前已在生產(chǎn)實踐中成功應用。
        氧探頭的工作應用
        利用能斯特公式可推導出氧電勢與碳活度、Pco、T之間的關系，它們的關系中，碳活度ac=Cp/Cs，Cp為爐氣碳勢，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，利用氧電勢和溫度就可準確地測出碳勢。
        在非平衡條件下或N₂基氣氛下，Pco和PH2不穩(wěn)定，紅外法和露點法已不適用，而加上Pco（用紅外儀測出）補償，進一步修正能斯特公式，氧探頭仍可以準確地進行碳勢控制，這對高溫高碳濃度滲碳是非常重要的。