Microestrutura e propriedades elétricas da zircônia dopada com óxidos mistos de terras raras para aplicação como eletrólito sólido em sensores de oxigênio

Abstract

Neste trabalho são realizadas a síntese e caracterização da zircônia totalmente estabilizada para possível uso em sensores de oxigênio, utilizando-se como métodos de sínteses o método Pechini e a precipitação heterogênea. Como precursor de ítria foi usado um carbonato de terras raras produzido no Brasil, pela NUCLEMON, a partir da monazita brasileira. A vantagem de utilizar este carbonato é o baixo custo em relação às terras raras de alta pureza. O método Pechini permitiu obter pós com tamanho de partícula submicrométrico. Por outro lado, a precipitação heterogênea permitiu obter uma mistura de óxidos homogênea, estruturas do tipo core-shell. Em ambos os casos se garantiu a estabilização da fase cúbica da zircônia após sinterização. Corpos de prova foram confeccionados via prensagem uniaxial a frio e posteriormente sinterizados usando dois cronogramas de aquecimento, S1 e S2. Em todas as cerâmicas em estudo verificou-se que o tamanho de grão foi dependente do cronograma usado na sinterização. Por outro lado, diagramas de impedância evidenciam que as fases presentes, assim como o tamanho de grão, têm influencia direta sobre o comportamento elétrico das cerâmicas. A amostra mais condutora, independente do método de síntese, foi obtida com adição de 10 % mol de ítria, confirmando que o excesso de dopagem em sistemas baseados em zircônia, neste trabalho dopagens de 12 e 14% mol, gera vazios de oxigênio que não participariam de forma efetiva no processo de condução, dando origem a defeitos mais complexos como clusters de vacâncias ou pares ordenados impureza/vazio da forma [Y_Zr^''-V_O^(oo) ]^x, [Y_Zr^'-V_O^(oo) ]^o ou [Y_Zr^'-V_O^(oo)-Y_Zr^' ]^x os quais dificultam a mobilidade dos portadores de carga. O valor de condutividade total à temperatura de 600 °C desta amostra foi de 2,85x10-3 ?-1 cm-1. Ao realizar uma comparação direta destes valores com os reportados na literatura, identifica-se semelhança com o sistema tradicional zircônia-ítria, o mais usado comercialmente como eletrólito em sensores de oxigênio, confirmando o potencial uso deste sistema para esta aplicação especifica. As vantagens de usar os sistemas baseados em zirconia terras raras obtidos neste trabalho são: baixo custo de fabricação, controle estequimetrico e reprodutivilidade do processo por poder controlar todas as variáveis no processo de produção da matéria prima. Finalmente, com a matéria prima que permitiu obter a amostra mais condutora, foi confeccionado um protótipo de sensor de oxigênio tipo sonda lambda (STSL). Este protótipo foi testado de forma preliminar, utilizando-se um dispositivo projetado no laboratório fixado na saída do escapamento de automóvel, na presença de gás veicular. Os resultados destes testes preliminares evidenciaram que o dispositivo é sensível às variações no teor de oxigênio no gás, ao se excitar o carro com pulsos no acelerador. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

In this work synthesis and characterization of fully stabilized zirconia were carried out aiming possible application as oxygen sensors. Synthesis methods were in this case the Pechini and the heterogeneous precipitation. The rare earth carbonate produced in Brazil by Nuclemom was used as yttria precursor, from Brazilian monazite. The advantage of this carbonate is its low cost compared to high purity rare earth. Pechini method allowed synthesis of powder with sub-micrometric particle size. The heterogeneous precipitation produced a homogeneous mixture of core-shell structures. In both cases it was guaranteed stabilization of zirconia cubic phase after sintering. Samples were cold uniaxial pressureless sintered at resistive furnace. Two sintering schedules were used, S1 and S2, independently of powder synthesis method. For all evaluated ceramics it was observed grain size dependence on the used sintering schedule. Impedance diagrams demonstrated direct influence of electric behavior with existing phases and grain sizes. The most conductive sample, independently of synthesis method, was those with 10% mol of yttria. This confirm theoretical explanation that exceeding doping at zirconia based systems, in this case 12% and 14% mol, causes excess of oxygen vacancies that do not participate at conduction process. It gives rise to complex defects such as clusters of vacancies or ordered pair impurity/vacancy with the form … −… ••_,… − ….. ou … − … •• −…. that impair charge mobility. Total conductivity at 600 0C was 2.85x10-3 Ω -1 cm-1 for Pechini powder. Obtained values for this system are similar to those of the traditional zirconia yttria system, largely used as electrolyte for oxygen sensors. Advantages of the system used in this work are low manufacturing costs, stoichiometric control of synthesis method and process reproductivity caused by control of variables at raw material production. Finally, with the most conductive material, one lambda sensor prototype was manufactured. The prototype was tested preliminarily, using device specially designed at the University and fixed to automotive exhaust pipe. Preliminary results showed that the oxygen sensor prototype is sensitive to oxygen content at exhaust gas during accelerator pulses. These results confirm the potential of the system used in this work, for application at gas sensors.