Ytria-stabiliseret zirconia

Yttria- stabiliseret zirconia ( YSZ ) er en keramik , hvori den kubiske krystalstruktur af zirconia stabiliseres ved tilsætning af yttria ved stuetemperatur.

Stabilisering

Ren zirconia gennemgår en fasetransformation fra monoklinisk (stabil ved stuetemperatur) til tetragonal (ved ca. 1173°C) og derefter til kubisk (ca. 2370°C) i henhold til følgende skema:

monoklinisk (1173 °С) tetragonal (2370 °С) kubisk (2690 °С) smeltende $\venstrehøjrepil$ $\venstrehøjrepil$ $\venstrehøjrepil$

At opnå et stabilt sintret keramisk legeme af zirconiumoxid er vanskeligt på grund af den store volumenændring, der følger med overgangen fra tetragonal til monoklinisk (ca. 5%). Stabilisering af cubic zirconia polymorph over et bredere temperaturområde opnås ved at erstatte nogle af Zr 4+ ionerne (ionradius på 0,82 Å er for lille til det ideelle fluorit gitter karakteristisk for tetragonal zirconia) i et krystal gitter med lidt større ioner såsom Y3 + (ionisk radius 0,96 Å). De resulterende doterede zirconiumoxider kaldes stabiliserede zirconiumoxider . [en]

Materialer relateret til YSZ inkluderer calciumoxid , magnesiumoxid , ceriumoxid eller aluminiumoxidstabiliseret zirconia eller delvist stabiliseret zirconia (PSZ).

Selvom 8-9 mol.% YSZ ikke er fuldstændig stabiliseret i ren YSZ kubisk fase op til temperaturer over 1000 °C (arbejde [2] og publikationer deri), er følgende forkortelser mest almindeligt anvendt:

Delvist stabiliseret zirconiumoxid ZrO 2 :
- PSZ - delvist stabiliseret zirconiumoxid
- TZP - Tetragonal Zirconium Oxide Polycrystal
- 4YSZ - ZrO 2 , delvist stabiliseret med 4 mol.% Y 2 O 3 , zirconiumoxid, delvist stabiliseret med yttria
Fuldt stabiliseret zirconiumoxid ZrO 2 :
- FSZ - fuldt stabiliseret zirconia
- CSZ - Cubic Stabilized Zirconia
- 8YSZ - ZrO 2 fuldt stabiliseret 8 mol.% Y 2 O 3
- 8YDZ - 8-9 mol.% Y 2 O 3 doteret med ZrO 2 : på grund af, at materialet ikke er fuldstændig stabiliseret og nedbrydes ved høje påføringstemperaturer, se [3] [4] [5] )

Termisk udvidelseskoefficient

Termiske udvidelseskoefficienter afhænger af modifikationen af zirconiumdioxid:

Monoklinisk: 7 10 −6 /K [6]
Tetragonal: 12 10 −6 /K
Y 2 O 3 stabiliseret: 10,5 10 −6 / K

YSZ ionisk ledningsevne og dens nedbrydning

Når yttrium tilsættes til ren zirconia (for eksempel fuldt stabiliseret YSZ), erstatter Y 3+ ioner Zr 4+ på det kationiske subgitter. Der dannes således ilttomheder på grund af ladningsneutralitet: [7]

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

det vil sige, at to Y 3+ ioner skaber én ledig plads på det anioniske subgitter. Dette bidrager til den moderate ledningsevne af den yttria-stabiliserede zirconia for O 2- ioner (og dermed den elektriske ledningsevne) ved forhøjet og høj temperatur. Denne evne til at lede O 2 -ioner gør yttria-stabiliseret zirconia velegnet til brug som en fast elektrolyt i fast oxid brændselsceller.

Ved lave koncentrationer af doteringsmiddel stiger den ioniske ledningsevne af zirconiumoxid-stabiliserede materialer med stigende Y 2 O 3 -indhold . Det maksimale, der nås ved ca. 8-9 mol.%, er praktisk talt uafhængigt af temperaturen (i området 800-1200°C). [1] [8] Ved disse temperaturer viste 8-9 mol.% YSZ (8YSZ, 8YDZ) sig også at være placeret i 2-fasefeltet (c + t) af YSZ fasediagrammet, hvilket fører til nedbrydningen af materialet i Y-berigede og Y-udtømningsområder på nanometerskalaen og derfor elektrisk nedbrydning under drift. [4] Mikrostrukturelle og kemiske ændringer på nanometerskalaen er ledsaget af et kraftigt fald i ion-oxygen-ledningsevnen af 8YSZ (nedbrydning af 8YSZ) med omkring 40 % ved 950 °C i 2500 timer. [5] Spor af urenheder som Ni opløst i 8YSZ, for eksempel på grund af fremstilling af brændselsceller, kan have en alvorlig effekt på nedbrydningshastigheden (acceleration af den interne nedbrydning af 8YSZ i størrelsesordener), således at nedbrydning af ledningsevne bliver problematisk selv ved lave driftstemperaturer temperaturer i området 500–700 °C. [9]

I øjeblikket bruges mere kompleks keramik, såsom co-doteret zirconia (f.eks. scandiumoxid), som faste elektrolytter.

Ansøgninger

YSZ har en række applikationer:

Som et hårdt og kemisk inert materiale (f.eks. i tandkroner ).
Som et ildfast materiale (for eksempel i jetmotorer).
Som termisk barrierebelægning i gasturbiner .
Som elektrokeramik på grund af dets ionledende egenskaber (for eksempel til bestemmelse af iltindholdet i udstødningsgasser, til måling af pH i højtemperaturvand, i brændselsceller).
Som en fast elektrolyt i produktionen af fastoxidbrændselsceller (SOFC), der giver oxygenionledningsevne, mens den blokerer elektronisk ledningsevne. For at opnå tilstrækkelig ionisk ledningsevne skal SOFC med YSZ-elektrolyt fungere ved høje temperaturer (800°C-1000°C). [10] Selvom det er fordelagtigt, at YSZ bevarer mekanisk styrke ved disse temperaturer, er den høje temperatur, der kræves, ofte en ulempe ved SOFC'er. Den høje tæthed af YSZ er også nødvendig for fysisk at adskille det gasformige brændstof fra ilten, ellers vil det elektrokemiske system ikke producere elektricitet. [11] [12]
Som dekoration på grund af sin hårdhed og optiske egenskaber i enkeltkrystalform.
Som materiale til ikke-metal knivblade.
Vandbaserede pastaer af håndlavet keramik og cement. De indeholder mikroskopisk formalede YSZ-fibre eller sub-mikron partikler, ofte med kaliumsilicat og zirconiumacetat (ved let sur pH). Cementering sker, når vandet fjernes. Det resulterende keramiske materiale er velegnet til anvendelse ved meget høje temperaturer.
YSZ doteret med sjældne jordarters materialer kan fungere som et termografisk fosfor og selvlysende materiale. [13]
Historisk brugt til lysende stænger i Nernst lamper .
Som en højpræcisions centreringsmuffe til fiberoptiske kabelsko. [fjorten]

Noter

↑ 1 2 H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, "The Chemistry of Ceramics", John Wiley & Sons, 1996. ISBN 0 471 95627 9 .
↑ Butz, Benjamin. Yttria-doteret zirconia som fast elektrolyt til brændselscelleapplikationer: grundlæggende aspekter . — Sydvestdt. Verl. für Hochschulschr., 2011. - ISBN 978-3-8381-1775-1 . Arkiveret 17. februar 2020 på Wayback Machine
↑ . - ISBN 978-3-8381-1775-1 .
↑ 1 2 Butz, B. Nedbrydning af 8,5 mol.% Y2O3-doteret zirconia og dets bidrag til nedbrydningen af ionkonduktivitet // Acta Materialia : journal. - 2009. - 1. oktober ( bind 57 , nr. 18 ). - P. 5480-5490 . - doi : 10.1016/j.actamat.2009.07.045 .
↑ 1 2 Butz, B. Korrelation mellem mikrostruktur og nedbrydning i ledningsevne for kubisk Y2O3-doteret ZrO2 // Solid State Ionics : journal. - 2006. - 1. december ( bd. 177 , nr. 37-38 ). - s. 3275-3284 . - doi : 10.1016/j.ssi.2006.09.003 .
↑ Matweb: CeramTec 848 Zirconia (ZrO 2 ) Arkiveret 17. februar 2020 på Wayback Machine & Zirconium Oxide, Zirconia, ZrO 2 Arkiveret 17. februar 2020 på Wayback Machine
↑ Hund, F. Anomale Mischkristalle im System ZrO2–Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte (tysk) // Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie: magazin. - 1951. - Bd. 55 . - S. 363-366 .
↑ Butz, Benjamin. Yttria-doteret zirconia som fast elektrolyt til brændselscelleapplikationer: grundlæggende aspekter . - 2011. - ISBN 978-3-8381-1775-1 . Arkiveret 17. februar 2020 på Wayback Machine
↑ Butz, B. Accelereret nedbrydning af 8,5 mol% Y2O3-doteret zirconia ved opløst Ni // Solid State Ionics : journal. - 2012. - 25. april ( bind 214 ). - S. 37-44 . - doi : 10.1016/j.ssi.2012.02.023 .
↑ Song, B. Forbedret mekanisk stabilitet af Ni-YSZ stillads demonstreret ved nanoindentation og elektrokemisk impedansspektroskopi // Journal of Power Sources : journal. - 2018. - August ( bind 395 ). - S. 205-211 . - doi : 10.1016/j.jpowsour.2018.05.075 .
↑ Minh, NQ Ceramic Fuel-Cells // Journal of the American Ceramic Society : journal. - 1993. - Bd. 76 , nr. 3 . - S. 563-588 . - doi : 10.1111/j.1151-2916.1993.tb03645.x .
↑ DeGuire, Eileen. Fastoxidbrændselsceller . - CSA, 2003. Arkiveret fra originalen den 5. november 2014.
↑ American Ceramic Society. Fremskridt inden for termiske barrierebelægninger. - 2009. - S. 139 -. — ISBN 978-0-470-40838-4 .
↑ DIAMOND SA | Fiberoptiske sammenkoblingsløsninger . Dato for adgang: 17. februar 2020. Arkiveret fra originalen 22. januar 2013. (ubestemt)