Yttria -stabiloitu zirkoniumoksidi - Yttria-stabilized zirconia

Yttria-stabiloitu zirkoniumoksidi (YSZ) kiderakenne

Yttria-stabiloitu zirkoniumoksidi ( YSZ ) on keramiikka , jossa zirkoniumdioksidin kuutiomainen kiderakenne tehdään vakaaksi huoneenlämpötilassa lisäämällä yttriumoksidia . Näitä oksideja kutsutaan yleisesti "zirkoniumoksidiksi" ( Zr O ₂ ) ja "yttriaksi" ( Y ₂ O ₃ ), tästä syystä nimi.

Vakautus

Puhdasta zirkoniumdioksidia muutetaan vaiheittain monokliinisestä (stabiili huoneenlämpötilassa) tetragonaaliseksi (noin 1173 ° C: ssa) ja sitten kuutiomuotoiseksi (noin 2370 ° C: ssa) kaavion mukaisesti:

monokliininen (1173 ° C) tetragonaalinen (2370 ° C) kuutiometri (2690 ° C) sula ${\ displaystyle \ leftrightarrow}$${\ displaystyle \ leftrightarrow}$${\ displaystyle \ leftrightarrow}$

Stabiilien sintrattujen zirkoniumoksidikeraamisten tuotteiden saaminen on vaikeaa, koska siirtyminen tetragonaalisesta monokliiniseksi aiheuttaa suuren tilavuuden muutoksen (noin 5%). Zirkoniumoksidin kuutiopolymorfin vakauttaminen laajemmilla lämpötila -alueilla saavutetaan korvaamalla jotkut Zr ⁴⁺ -ionit (ionisäde 0,82 Å, liian pieni kuutiolle zirkoniumille ominaisen ihanteellisen fluoriittihilan osalta) kidehilassa hieman suurempia ioneja, esim. Y ³⁺ (ionisäde 0,96 Å). Tuloksena olevia seostettuja zirkoniumoksidimateriaaleja kutsutaan stabiloiduiksi zirkonioiksi .

Materiaalit liittyvät YSZ ovat kalsiumoksidi -, magnesiumoksidi -, ceriumoksidia - tai alumiinioksidin -stabilized zirkoniat, tai osittain stabiloitu zirkoniat (PSZ). Hafnian stabiloitu zirkonia tunnetaan myös.

Vaikka 8–9 mooliprosenttia YSZ: tä ei tiedetä täysin stabiloituneen puhtaassa kuutiomaisessa YSZ -vaiheessa yli 1000 ° C: n lämpötiloihin.

Yleisesti käytettyjä lyhenteitä yhdessä yttria-stabiloidun zirkoniumoksidin kanssa ovat:

• Osittain stabiloitu zirkoniumoksidi ZrO ₂ :
  • PSZ - osittain stabiloitu zirkonia
  • TZP - tetragonaalinen zirkoniakki
  • 4YSZ: jossa on 4 mooliprosenttia Y ₂ O ₃ osittain stabiloitua ZrO _{2: ta} , Yttria-stabiloitu zirkonia
• Täysin stabiloidut zirkoniat ZrO ₂ :
  • FSZ - Täysin stabiloitu zirkonia
  • CSZ - Kuutiovakautettu zirkonia
  • 8YSZ - jossa on 8 mooliprosenttia Y ₂ O ₃ täysin stabiloitua ZrO _{2: ta}
  • 8YDZ -8–9 mooli-% Y ₂ O ₃ -seostettua ZrO ₂ : materiaali ei ole täysin stabiloitunut ja hajoaa korkeissa käyttölämpötiloissa, katso seuraavat kohdat)

Lämpölaajenemiskerroin

Lämpölaajenemiskertoimet riippuu muutos zirkoniumoksidista seuraavasti:

• Monoklinikka: 7-10 ⁻⁶ /K
• Tetragonaalinen: 12 · 10 ⁻⁶ /K
• Y ₂ O ₃ stabiloitu: 10,5 · 10 ⁻⁶ /K

YSZ: n ionijohtavuus ja sen hajoaminen

Lisäämällä yttriaa puhtaaseen zirkoniumoksidiin (esim. Täysin stabiloitu YSZ) Y ³⁺ -ionit korvaavat Zr ⁴⁺ : n kationisessa alahilassa. Tällöin happivapaita paikkoja syntyy varauksen neutraalisuuden vuoksi:

${\ displaystyle {\ text {Y}} _ {2} {\ text {O}} _ {3} \ rightarrow 2 {\ text {Y}} _ {\ text {Zr}}^{'}+3 { \ text {O}} _ {\ text {O}}^{\ text {x}}+{\ text {V}} _ {\ text {O}}^{\ bullet \ bullet} {\ text {kanssa }} [{\ text {V}} _ {\ text {O}}^{\ bullet \ bullet}] = {\ frac {1} {2}} [{\ text {Y}} _ {\ text { Zr}}^{'}],}$

eli kaksi Y ³⁺ -ionia synnyttää yhden vapaan paikan anionisessa aliristikossa. Tämä helpottaa yttriumilla stabiloidun zirkoniumoksidin kohtalaista johtavuutta O ²⁻ -ioneille (ja siten sähkönjohtavuutta) korotetussa ja korkeassa lämpötilassa. Tämä kyky johtaa O ²⁻ -ioneja tekee yttria-stabiloidusta zirkoniumoksidista sopivan käytettäväksi kiinteänä elektrolyyttinä kiinteiden oksidien polttokennoissa.

Alhaisen seostusainepitoisuuksia ionijohtavuus stabiloidun zirkoniat lisääntyy Y ₂ O ₃ sisältöä. Sen maksimimäärä on noin 8–9 mooli-% lähes riippumatta lämpötilasta (800–1200 ° C). Valitettavasti 8-9 mol-% YSZ (8YSZ, 8YDZ) osoittautui myös YSZ-vaihekaavion 2-vaihekenttään (c+t) näissä lämpötiloissa, mikä aiheuttaa materiaalin hajoamisen Y-rikastetuksi ja tyhjeneväksi alueita nm-asteikolla ja siten sähköistä heikkenemistä käytön aikana. Mikrorakenteellisiin ja kemiallisiin muutoksiin nm-asteikolla liittyy 8YSZ: n (8YSZ: n hajoaminen) happi-ionijohtavuuden jyrkkä lasku noin 40% 950 ° C: ssa 2500 tunnin kuluessa. Niillä, kuten Ni, on liuennut 8YSZ: ään, esimerkiksi polttokennojen valmistuksen vuoksi, voi olla vakava vaikutus hajoamisnopeuteen (8YSZ: n luontaisen hajoamisen kiihtyminen suuruusluokkaa) siten, että johtavuuden heikkeneminen jopa kasvaa ongelmallista alhaisissa käyttölämpötiloissa välillä 500–700 ° C.

Nykyään kiinteitä elektrolyyttejä käytetään monimutkaisempia keramiikkaa, kuten seostettua zirkoniumoksidia (esim. Scandia, ...).

Sovellukset

Useita metallittomia hammaskruunuja

YSZ: llä on useita sovelluksia:

• Sen kovuus ja kemiallinen inertiteetti (esim. Hampaiden kruunut ).
• Koska tulenkestävä (esim jet moottorit).
• Koska lämpöeste pinnoite on kaasuturbiinit
• Kuten electroceramic koska sen ioneja johtavaa ominaisuuksia (esim, ja määrittää happipitoisuuden pakokaasuissa, mitata pH korkean lämpötilan vesi, polttokennoissa).
• Käytetään kiinteän oksidipolttokennon (SOFC) valmistuksessa. YSZ: tä käytetään kiinteänä elektrolyyttinä , joka mahdollistaa happi -ionien johtamisen estäen samalla elektronisen johtumisen. Riittävän ionijohtavuuden saavuttamiseksi YFC-elektrolyyttiä sisältävää SOFC: tä on käytettävä korkeissa lämpötiloissa (800 ° C-1000 ° C). Vaikka on edullista, että YSZ säilyttää mekaanisen lujuutensa näissä lämpötiloissa, tarvittava korkea lämpötila on usein SOFC -yhdisteiden haitta. YSZ: n suuri tiheys on myös välttämätön kaasumaisen polttoaineen fyysiseksi erottamiseksi hapesta, tai muuten sähkökemiallinen järjestelmä ei tuota sähköä.
• Kovuuden ja optisten ominaisuuksiensa vuoksi monokiteisessä muodossa (katso " kuutiomainen zirkoniumoksidi ") sitä käytetään koruna.
• Materiaalina ei-metallisille veitsen terille, Boker- ja Kyocera-yhtiöiden valmistama.
• Tee-se-itse- keramiikan ja sementin vesipohjaisissa tahnoissa . Ne sisältävät mikroskooppisia YSZ-jauhettuja kuituja tai mikrometriä pienempiä hiukkasia, usein kaliumsilikaatin ja zirkoniumasetaatin sideaineiden kanssa (lievästi happamassa pH: ssa). Sementti tapahtuu veden poistamisen yhteydessä. Tuloksena oleva keraaminen materiaali soveltuu erittäin korkean lämpötilan sovelluksiin.
• Harvinaisten maametallien kanssa seostettu YSZ voi toimia termografisena fosforina ja luminoivana materiaalina.
• Historiallisesti käytetty hehkuviin sauvoihin Nernst -lampuissa .
• Korkean tarkkuuden kohdistusholkkina optisen kuidun liittimien holkeille.

Katso myös

• Kuutiomainen zirkoniumoksidi  - zirkoniumdioksidin kuutiomainen kiteinen muoto
• Sintraus  - Prosessi materiaalin muodostamiseksi ja liittämiseksi kuumuudella tai paineella
• Suprajohtava lanka  - Johdot, joiden vastus on nolla

Viitteet

Lue lisää

• Vihreä, DJ; Hannink, R .; Swain, MV (1989). Keramiikan muunnoskarkaisu . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2.