Zirkony stabilizované ytriem

Oxid zirkoničitý ( YSZ ) stabilizovaný yttriem je keramika , ve které je krychlová krystalická struktura zirkonie stabilizována přidáním ytria při pokojové teplotě.

Stabilizace

Čistý oxid zirkoničitý prochází fázovou transformací z monoklinické (stabilní při teplotě místnosti) na tetragonální (při teplotě asi 1173 °C) a poté na kubickou (asi 2370 °C) podle následujícího schématu:

jednoklonná (1173 °С) tetragonální (2370 °С) krychlová (2690 °С) tání

Získání stabilního keramického tělesa slinutého zirkonem je obtížné kvůli velké objemové změně, která doprovází přechod z tetragonálního na monoklinický (asi 5 %). Stabilizace polymorfu kubického oxidu zirkoničitého v širším teplotním rozsahu je dosaženo nahrazením některých iontů Zr 4+ (iontový poloměr 0,82 Á je příliš malý pro ideální fluoritovou mřížku charakteristickou pro tetragonální oxid zirkoničitý) v krystalové mřížce o něco většími ionty. , jako je Y3 + (iontový poloměr 0,96 Á). Výsledné dotované oxidy zirkonia se nazývají stabilizované oxidy zirkonia . [jeden]

Materiály související s YSZ zahrnují oxid vápenatý , oxid hořečnatý , oxid ceru nebo oxid zirkoničitý stabilizovaný oxidem hlinitým nebo částečně stabilizovaný oxid zirkoničitý (PSZ).

Přestože 8-9 mol. % YSZ není zcela stabilizováno v čisté kubické fázi YSZ až do teplot nad 1000 °C (práce [2] a publikace v ní), nejčastěji se používají následující zkratky:

• Částečně stabilizovaný oxid zirkoničitý ZrO 2 :
  • PSZ - částečně stabilizovaný oxid zirkoničitý
  • TZP - Tetragonální polykrystal oxidu zirkoničitého
  • 4YSZ - ZrO 2 , částečně stabilizovaný 4 mol. % Y 2 O 3 , oxid zirkoničitý, částečně stabilizovaný yttriem
• Plně stabilizovaný oxid zirkoničitý ZrO2 :
  • FSZ - plně stabilizovaný oxid zirkoničitý
  • CSZ - Cubic Stabilized Zirconia
  • 8YSZ - ZrO 2 plně stabilizovaný 8 mol. % Y 2 O 3
  • 8YDZ - 8-9 mol. % Y 2 O 3 dopováno ZrO 2 : vzhledem k tomu, že materiál není zcela stabilizován a při vysokých aplikačních teplotách se rozkládá, viz [3] [4] [5] )

Součinitel tepelné roztažnosti

Koeficienty tepelné roztažnosti závisí na modifikaci oxidu zirkoničitého:

• Monoklinika: 7 10 −6 /K [6]
• Tetragonální: 12 10 −6 /K
• Y 2 O 3 stabilizovaný: 10,5 10 −6 / K

Iontová vodivost YSZ a její degradace

Když se k čistému oxidu zirkoničitému přidá yttrium (například plně stabilizovaný YSZ), ionty Y 3+ nahradí Zr 4+ na kationtové podmřížce. Kyslíková volná místa se tedy tvoří díky neutralitě náboje: [7]

s ,

to znamená, že dva ionty Y 3+ vytvářejí jedno volné místo na aniontové podmřížce. To přispívá k mírné vodivosti oxidu zirkoničitého stabilizovaného yttriem pro ionty O2- (a tím i elektrické vodivosti) při zvýšené a vysoké teplotě. Tato schopnost vést ionty O2- činí oxid zirkoničitý stabilizovaný yttriem vhodným pro použití jako pevný elektrolyt v palivových článcích s pevným oxidem.

Při nízkých koncentracích dopantů se iontová vodivost materiálů stabilizovaných oxidem zirkonu zvyšuje se zvyšujícím se obsahem Y 2 O 3 . Maximum dosažené při cca 8–9 mol.% je prakticky nezávislé na teplotě (v rozmezí 800–1200°C). [1] [8] Při těchto teplotách se také ukázalo, že ve 2fázovém poli (c + t) fázového diagramu YSZ se nachází 8-9 mol.% YSZ (8YSZ, 8YDZ), což vede k rozkladu materiálu do oblastí obohacených o Y a ochuzení o Y v nanometrovém měřítku, a tedy elektrické degradace během provozu. [4] Mikrostrukturní a chemické změny v nanometrovém měřítku jsou doprovázeny prudkým poklesem iontově-kyslíkové vodivosti 8YSZ (degradace 8YSZ) asi o 40 % při 950 °C po dobu 2500 hodin. [5] Stopy nečistot, jako je Ni rozpuštěný v 8YSZ, například v důsledku výroby palivových článků, mohou mít vážný vliv na rychlost rozkladu (urychlení vnitřního rozkladu 8YSZ řádově), takže degradace vodivosti se stává problematickou i při nízkých provozních teplotách.teplotách v rozmezí 500–700 °C. [9]

V současné době se jako pevné elektrolyty používají složitější keramiky, jako je ko-dopovaný oxid zirkoničitý (např. oxid skandia).

Aplikace

YSZ má řadu aplikací:

• Jako tvrdý a chemicky inertní materiál (například v zubních korunkách ).
• Jako žáruvzdorný (například v proudových motorech).
• Jako tepelně bariérový povlak v plynových turbínách .
• Jako elektrokeramika díky svým iontově vodivým vlastnostem (např. pro stanovení obsahu kyslíku ve výfukových plynech, pro měření pH ve vysokoteplotní vodě, v palivových článcích).
• Jako pevný elektrolyt při výrobě pevných oxidových palivových článků (SOFC), poskytující vodivost kyslíkových iontů a zároveň blokující elektronickou vodivost. Pro dosažení dostatečné iontové vodivosti musí SOFC s elektrolytem YSZ pracovat při vysokých teplotách (800°C-1000°C). [10] I když je výhodné, že si YSZ zachovává mechanickou pevnost při těchto teplotách, nevýhodou SOFC je často požadovaná vysoká teplota. Vysoká hustota YSZ je také nezbytná pro fyzické oddělení plynného paliva od kyslíku, jinak elektrochemický systém nebude vyrábět elektřinu. [11] [12]
• Jako dekorace díky své tvrdosti a optickým vlastnostem v monokrystalické formě.
• Jako materiál pro nekovové čepele nožů.
• Pasty na vodní bázi z ručně vyráběné keramiky a cementů. Obsahují mikroskopicky mletá vlákna YSZ nebo submikronové částice, často s křemičitanem draselným a octanem zirkoničitým (při mírně kyselém pH). Cementace nastává při odstranění vody. Výsledný keramický materiál je vhodný pro aplikace při velmi vysokých teplotách.
• YSZ dopovaný materiály vzácných zemin může fungovat jako termografický fosfor a luminiscenční materiál. [13]
• Historicky používané pro světelné tyče v lampách Nernst .
• Jako vysoce přesné centrovací pouzdro pro kabelová oka z optických vláken. [čtrnáct]

Poznámky

1. ↑ 1 2 H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, "The Chemistry of Ceramics", John Wiley & Sons, 1996. ISBN 0 471 95627 9 .
2. ↑ Butz, Benjamine. Zirkonie dopované ytriem jako pevný elektrolyt pro aplikace palivových článků: Základní aspekty . — Southwestdt. Verl. für Hochschulschr., 2011. - ISBN 978-3-8381-1775-1 . Archivováno 17. února 2020 na Wayback Machine
3. ↑ . - ISBN 978-3-8381-1775-1 .
4. ↑ 1 2 Butz, B. Rozklad 8,5 mol. % Y2O3 dopovaného oxidu zirkoničitého a jeho příspěvek k degradaci iontové vodivosti  //  Acta Materialia : deník. - 2009. - 1. října ( roč. 57 , č. 18 ). - S. 5480-5490 . - doi : 10.1016/j.actamat.2009.07.045 .
5. ↑ 1 2 Butz, B. Korelace mezi mikrostrukturou a degradací vodivosti pro kubický ZrO2 dopovaný Y2O3   // Ionizace v pevné fázi : deník. - 2006. - 1. prosince ( roč. 177 , č. 37-38 ). - str. 3275-3284 . - doi : 10.1016/j.ssi.2006.09.003 .
6. ↑ Matweb: CeramTec 848 Zirconia (ZrO 2 ) Archivováno 17. února 2020 na Wayback Machine & Zirconium Oxide, Zirconia, ZrO 2 Archivováno 17. února 2020 na Wayback Machine
7. ↑ Hund, F. Anomale Mischkristalle im System ZrO2–Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte  (německy)  // Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie: časopis. - 1951. - Bd. 55 . - S. 363-366 .
8. ↑ Butz, Benjamine. Zirkonie dopované ytriem jako pevný elektrolyt pro aplikace palivových článků: Základní aspekty . - 2011. - ISBN 978-3-8381-1775-1 . Archivováno 17. února 2020 na Wayback Machine
9. ↑ Butz, B. Zrychlená degradace 8,5 mol% Y2O3 dopovaného oxidu zirkoničitého rozpuštěným Ni  // Solid State  Ionics : deník. - 2012. - 25. dubna ( sv. 214 ). - str. 37-44 . - doi : 10.1016/j.ssi.2012.02.023 .
10. ↑ Song, B. Zvýšená mechanická stabilita lešení Ni-YSZ prokázaná nanoindentací a elektrochemickou impedanční spektroskopií  //  Journal of Power Sources : deník. - 2018. - Srpen ( sv. 395 ). - S. 205-211 . - doi : 10.1016/j.jpowsour.2018.05.075 .
11. ↑ Minh, NQ Ceramic Fuel-Cells  //  Journal of the American Ceramic Society : deník. - 1993. - Sv. 76 , č. 3 . - str. 563-588 . - doi : 10.1111/j.1151-2916.1993.tb03645.x .
12. ↑ DeGuire, Eileen. Palivové články s pevným oxidem . - CSA, 2003. Archivováno z originálu 5. listopadu 2014.
13. ↑ Americká keramická společnost. Pokrok v nátěrech s tepelnou bariérou. - 2009. - S. 139 -. — ISBN 978-0-470-40838-4 .
14. ↑ DIAMOND SA | Řešení propojení optických vláken . Datum přístupu: 17. února 2020. Archivováno z originálu 22. ledna 2013. (neurčitý)