Диоксид циркония, стабилизированный иттрием - Yttria-stabilized zirconia

Кристаллическая структура оксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ)

Диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ) это керамика в котором кубическая кристаллическая структура диоксид циркония становится стабильным при комнатной температуре добавлением оксид иттрия. Эти оксиды обычно называют «диоксидом циркония» (ZrО₂) и «иттрия» (Y₂О₃), отсюда и название.

Стабилизация

Смотрите также: Диоксид циркония § Технические свойства

Чистый диоксид циркония претерпевает фазовое превращение из моноклинного (стабильного при комнатной температуре) в тетрагональный (примерно при 1173 ° C), а затем в кубический (примерно при 2370 ° C) по схеме:

моноклинный (1173 ° C) ${displaystyle leftrightarrow }$ тетрагональная (2370 ° C) ${displaystyle leftrightarrow }$ кубическая (2690 ° C) ${displaystyle leftrightarrow }$ таять

Получение стабильных изделий из спеченной керамики из диоксида циркония затруднено из-за большого изменения объема, сопровождающего переход от тетрагональной к моноклинной (около 5%). Стабилизация кубического полиморфа диоксида циркония в более широком диапазоне температур достигается путем замещения части Zr⁴⁺ ионов (ионный радиус 0,82 Å, слишком мал для идеального решетка флюорита характерные для кубического диоксида циркония) в кристаллической решетке с несколько более крупными ионами, например ионами Y³⁺ (ионный радиус 0,96 Å). Получаемые в результате материалы из легированного диоксида циркония называют стабилизированные диоксиды циркония.^[1]

Материалы, относящиеся к YSZ, включают кальциевый -, магнезия -, церия - или же глинозем -стабилизированный диоксид циркония или частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ). Гафния стабилизированный диоксид циркония также известен^{[нужна цитата ]}.

Хотя известно, что 8-9 мол.% YSZ не полностью стабилизируется в чистой кубической фазе YSZ до температур выше 1000 ° C.^[2]

Обычно используемые сокращения в отношении диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия:

• Частично стабилизированный диоксид циркония ZrO₂:
  • ПСЗ - Частично стабилизированный диоксид циркония
  • ТЗП -Тетрагональный поликристалл диоксида циркония
  • 4YSZ: с 4 мол.% Y₂О₃ частично стабилизированный ZrO₂, Стабилизированный иттрием диоксид циркония
• Полностью стабилизированный цирконий ZrO₂:
  • ФСЗ - Полностью стабилизированный диоксид циркония
  • CSZ - Кубический стабилизированный цирконий
  • 8YSZ - с 8 мол.% Y₂О₃ Полностью стабилизированный ZrO2₂
  • 8YDZ - 8-9 мол.% Y₂О₃-допированный ZrO₂: из-за того, что материал не полностью стабилизирован и разлагается при высоких температурах нанесения, см. следующий параграф.^[2][3][4])

Коэффициент теплового расширения

В коэффициенты теплового расширения зависит от модификации диоксида циркония следующим образом:

• Моноклиника: 7 · 10⁻⁶/ К^[5]
• Тетрагональный: 12 · 10⁻⁶/ К^[5]
• Y₂О₃ стабилизированный: 10,5 · 10⁻⁶/ К^[5]

Ионная проводимость YSZ и ее деградация

При добавлении оксида иттрия к чистому диоксиду циркония (например, полностью стабилизированному YSZ) Y³⁺ ионы заменяют Zr⁴⁺ на катионной подрешетке. Таким образом, кислородные вакансии образуются за счет нейтральности заряда:^[6]

${displaystyle { ext{Y}}_{2}{ ext{O}}_{3}ightarrow 2{ ext{Y}}_{ ext{Zr}}^{'}+3{ ext{O}}_{ ext{O}}^{ ext{x}}+{ ext{V}}_{ ext{O}}^{ullet ullet }}$ с ${displaystyle [{ ext{V}}_{ ext{O}}^{ullet ullet }]={frac {1}{2}}[{ ext{Y}}_{ ext{Zr}}^{'}]}$,

означает два Y³⁺ ионы создают одну вакансию на анионной подрешетке. Это способствует умеренной проводимости оксида циркония, стабилизированного иттрием для O²⁻ ионы (и, следовательно, электропроводность) при повышенной и высокой температуре. Эта способность проводить O²⁻ Благодаря ионам оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, хорошо подходит для использования в качестве твердого электролита в твердооксидных топливных элементах.

При низких концентрациях легирующей примеси ионная проводимость стабилизированного диоксида циркония увеличивается с увеличением Y₂О₃ содержание. Он имеет максимум около 8-9 мол.% Практически независимо от температуры (800-1200 ° C).^[1][2] К сожалению, 8-9 мол.% YSZ (8YSZ, 8YDZ) также оказались расположены в 2-фазном поле (c + t) фазовой диаграммы YSZ при этих температурах, что вызывает разложение материала на Y-обогащенные и обедненные. области в нм-масштабе и, как следствие, электрическая деградация во время работы.^[3] Микроструктурные и химические изменения в нанометровом масштабе сопровождаются резким снижением кислородно-ионной проводимости 8YSZ (разложение 8YSZ) примерно на 40% при 950 ° C в течение 2500 часов.^[4] Следы примесей, таких как Ni, растворенных в 8YSZ, например, из-за изготовления топливных элементов, могут иметь серьезное влияние на скорость разложения (ускорение собственного разложения 8YSZ на порядки величины), так что ухудшение проводимости даже становится проблематично при низких температурах эксплуатации в диапазоне 500-700 ° С.^[7]

В настоящее время в качестве твердых электролитов используется более сложная керамика, такая как совместный легированный диоксид циркония (например, скандия, ...).

Приложения

Множественные безметалловые зубные коронки

YSZ имеет ряд приложений:

• За его твердость и химическую инертность (например, зубные коронки ).
• Как огнеупорный (например, в реактивных двигателях).
• Как термобарьерное покрытие в газовые турбины
• Как электрокерамический из-за его ионопроводящих свойств (например, определить содержание кислорода в выхлопных газах, для измерения pH в высокотемпературной воде, в топливных элементах).
• Используется при производстве твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ). YSZ используется как твердый электролит, который обеспечивает проводимость для ионов кислорода, блокируя при этом электронную проводимость. Для достижения достаточной ионной проводимости ТОТЭ с электролитом YSZ необходимо эксплуатировать при высоких температурах (800–1000 ° C).^[8] Хотя выгодно, чтобы YSZ сохранял механическую прочность при таких температурах, необходимая высокая температура часто является недостатком SOFC. Высокая плотность YSZ также необходима для физического отделения газообразного топлива от кислорода, иначе электрохимическая система не будет вырабатывать электроэнергию.^[9][10]
• О его твердости и оптических свойствах в монокристаллической форме (см. "кубический цирконий "), используется как украшение.
• Как материал для неметаллический нож лезвия производства компаний Boker и Kyocera.
• В пастах на водной основе для сделай это сам керамика и цементы. Они содержат микроскопические измельченные волокна YSZ или частицы размером менее микрометра, часто со связующими из силиката калия и ацетата циркония (при умеренно кислом pH). Цементирование происходит при удалении воды. Полученный керамический материал подходит для применения при очень высоких температурах.
• YSZ, легированный редкоземельными материалами, может действовать как термографический люминофор и люминесцентный материал.^[11]
• Исторически использовался для светящихся стержней в Лампы Нернста.
• В качестве высокоточной центровочной втулки для наконечников оптоволоконных соединителей.^[12]

Смотрите также

• Кубический цирконий - Кубическая кристаллическая форма диоксида циркония
• Спекание - Процесс формирования и склеивания материала под действием тепла или давления
• Сверхпроводящий провод - Провода с нулевым сопротивлением

Рекомендации

1. Х. Янагида, К. Комото, М. Мияяма, «Химия керамики», John Wiley & Sons, 1996. ISBN  0 471 95627 9.
2. Бутц, Бенджамин (2011). Диоксид циркония, легированный иттрием, как твердый электролит для топливных элементов: фундаментальные аспекты. Südwestdt. Verl. für Hochschulschr. ISBN  978-3-8381-1775-1.
3. Butz, B .; Schneider, R .; Gerthsen, D .; Schowalter, M .; Розенауэр, А. (1 октября 2009 г.). «Разложение 8,5 мол.% Диоксида циркония, легированного Y2O3, и его вклад в деградацию ионной проводимости». Acta Materialia. 57 (18): 5480–5490. Дои:10.1016 / j.actamat.2009.07.045.
4. Butz, B .; Kruse, P .; Störmer, H .; Gerthsen, D .; Мюллер, А .; Вебер, А .; Иверс-Тиффи, Э. (1 декабря 2006 г.). «Корреляция между микроструктурой и деградацией проводимости кубического ZrO2, легированного Y2O3». Ионика твердого тела. 177 (37–38): 3275–3284. Дои:10.1016 / j.ssi.2006.09.003.
5. Матвеб: CeramTec 848 Цирконий (ZrO₂) & Оксид циркония, диоксид циркония, ZrO₂
6. Hund, F (1951). "Аномальный кристалл в системе ZrO2 – Y2O3. Кристаллбау дер Нернст-Стифт". Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie. 55: 363–366.
7. Butz, B .; Lefarth, A .; Störmer, H .; Utz, A .; Ivers-Tiffée, E .; Гертсен, Д. (25 апреля 2012 г.). «Ускоренное разложение 8,5 мол.% Диоксида циркония, легированного Y2O3, растворенным Ni». Ионика твердого тела. 214: 37–44. Дои:10.1016 / j.ssi.2012.02.023.
8. Песня, B .; Руис-Трехо, Э .; Брэндон, Н. (Август 2018 г.). «Повышенная механическая стабильность каркаса Ni-YSZ, продемонстрированная методами наноиндентирования и спектроскопии электрохимического импеданса». Журнал источников энергии. 395: 205–211. Bibcode:2018JPS ... 395..205S. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2018.05.075.
9. Минь, штат Северная Каролина (1993). «Керамические топливные элементы». Журнал Американского керамического общества. 76 (3): 563–588. Дои:10.1111 / j.1151-2916.1993.tb03645.x.
10. Де Гир, Эйлин (2003). «Твердооксидные топливные элементы». CSA.
11. Американское керамическое общество (29 мая 2009 г.). Прогресс в термобарьерных покрытиях. Джон Уайли и сыновья. С. 139–. ISBN  978-0-470-40838-4. Получено 23 октября 2011.
12. http://www.diamond-fo.com/en/products_catalogue_details.asp?section=2&group=e2000&source=Assemblies&family=10101

дальнейшее чтение

• Грин, Д.Дж .; Hannink, R .; Суэйн, М. (1989). Трансформационное упрочнение керамики. Бока-Ратон: CRC Press. ISBN  978-0-8493-6594-2.