Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Кристаллическая структура оксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ)

Оксид циркония, стабилизированный иттрием ( YSZ ), представляет собой керамику, в которой кубическая кристаллическая структура диоксида циркония становится стабильной при комнатной температуре за счет добавления оксида иттрия . Эти оксиды обычно называют «диоксидом циркония» ( Zr O 2 ) и «иттрием» ( Y 2 O 3 ), отсюда и название.

Стабилизация [ править ]

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) тетрагональный (2370 ° C) кубический (2690 ° C) расплав

Получение стабильных изделий из спеченной циркониевой керамики 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 за счет замещения части ионов Zr 4+ (ионный радиус 0,82 Å, слишком мал для идеальной решетки флюорита, характерной для кубического диоксида циркония) в кристаллической решетке на слегка более крупные ионы, например, Y 3+ (ионный радиус 0,96 Å). Полученные материалы из легированного диоксида циркония называют стабилизированным диоксидом циркония . [1]

Материалы, относящиеся к YSZ, включают диоксид циркония, стабилизированный кальцием , оксидом магния , оксид церия или оксида алюминия , или частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ). Hafnia циркония , стабилизированный также известен [ править ] .

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

Обычно для обозначения диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, используются следующие сокращения:

  • Частично стабилизированный диоксид циркония ZrO 2 :
  • Полностью стабилизированные диоксиды циркония ZrO 2 :
    • FSZ - полностью стабилизированный диоксид циркония
    • CSZ - кубический стабилизированный цирконий
    • 8YSZ - с 8 мол.% Y 2 O 3 полностью стабилизированного ZrO 2
    • 8YDZ - 8–9 мол.% ZrO 2, легированный Y 2 O 3 : из-за того, что материал не полностью стабилизирован и разлагается при высоких температурах нанесения, см. Следующий параграф [2] [3] [4] )

Коэффициент теплового расширения [ править ]

Коэффициенты теплового расширения зависят от модификации диоксида циркония следующим образом:

  • Моноклинический: 7 · 10 −6 / K [5]
  • Тетрагональный: 12 · 10 −6 / K [5]
  • Y 2 O 3 стабилизированный: 10,5 · 10 -6 / K [5]

Ионная проводимость YSZ и ее деградация [ править ]

При добавлении оксида иттрия к чистому диоксиду циркония (например, полностью стабилизированному YSZ) ионы Y 3+ заменяют Zr 4+ на катионной подрешетке. Таким образом, кислородные вакансии генерируются из-за нейтральности заряда: [6]

с ,

это означает, что два иона Y 3+ создают одну вакансию в анионной подрешетке. Это способствует умеренной проводимости оксида циркония, стабилизированного иттрием, для ионов O 2– (и, следовательно, электропроводности) при повышенных и высоких температурах. Эта способность проводить ионы O 2- делает диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, хорошо подходящим для применения в качестве твердого электролита в твердооксидных топливных элементах.

При низких концентрациях примеси ионная проводимость стабилизированного диоксида циркония увеличивается с увеличением содержания Y 2 O 3 . 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 обогащенные Y и обедненные области в нанометровом масштабе и, как следствие, электрическую деградацию 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 внутреннего разложения 8YSZ на порядки величины), так что разложение электропроводность становится проблематичной даже при низких рабочих температурах в диапазоне 500–700 ° C. [7]

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

Приложения [ править ]

Множественные безметалловые зубные коронки

YSZ имеет ряд приложений:

  • За твердость и химическую инертность (например, коронки зубов ).
  • В качестве огнеупора (например, в реактивных двигателях).
  • В качестве термобарьерного покрытия в газовых турбинах.
  • В качестве электрокерамики благодаря своим ионопроводящим свойствам (например, для определения содержания кислорода в выхлопных газах, для измерения pH в высокотемпературной воде, в топливных элементах).
  • Используется при производстве твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). YSZ используется в качестве твердого электролита , который обеспечивает проводимость 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 то, что YSZ является преимуществом, сохраняет механическую прочность при таких температурах, необходимая высокая температура часто является недостатком SOFC. Высокая плотность YSZ также необходима для того, чтобы физически отделить газообразное топливо от кислорода, иначе электрохимическая система не будет вырабатывать электроэнергию. [9] [10]
  • Благодаря своей твердости и оптическим свойствам в виде монокристаллов (см. « Кубический цирконий ») он используется в качестве ювелирных изделий.
  • В качестве материала для неметаллических лезвий ножей производства компаний Boker и Kyocera.
  • В водной основе пасты для сделай самой керамики и цементов. Они содержат микроскопические измельченные волокна YSZ или частицы размером менее микрометра, часто со связующими из силиката калия и ацетата циркония (при умеренно кислом pH). Цементация 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 накаливания стержней в лампах Nernst .
  • В качестве высокоточной центрирующей втулки для наконечников оптоволоконных соединителей. [12]

См. Также [ править ]

  • Кубический диоксид циркония  - кубическая кристаллическая форма диоксида циркония.
  • Спекание  - процесс формирования и связывания материала под действием тепла или давления.
  • Сверхпроводящий провод  - Провода с нулевым сопротивлением.

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Х. Янагида, К. Комото, М. Мияяма, «Химия керамики», John Wiley & Sons, 1996. ISBN  0 471 95627 9 .
  2. ^ a b c 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. ^ а б 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. DOI : 10.1016 / j.actamat.2009.07.045 .
  4. ^ а б 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 для кубического ZrO2, легированного Y2O3». Ионика твердого тела . 177 (37–38): 3275–3284. DOI : 10.1016 / j.ssi.2006.09.003 .
  5. ^ a b c Matweb: CeramTec 848 Диоксид циркония (ZrO 2 ) и оксид циркония, диоксид циркония, ZrO 2
  6. Перейти ↑ Hund, F (1951). "Аномальный мишкристалл 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. DOI : 10.1016 / j.ssi.2012.02.023 .
  8. ^ Песня, B .; Руис-Трехо, Э .; Брэндон, НП (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 . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2018.05.075 .
  9. ^ Minh, NQ (1993). «Керамические топливные элементы». Журнал Американского керамического общества . 76 (3): 563–588. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1993.tb03645.x .
  10. ^ De Guire, Эйлин (2003). «Твердооксидные топливные элементы» . CSA. Cite journal requires |journal= (help)
  11. ↑ Американское керамическое общество (29 мая 2009 г.). Прогресс в термобарьерных покрытиях . Джон Вили и сыновья. С. 139–. ISBN 978-0-470-40838-4. Проверено 23 октября 2011 года .
  12. ^ http://www.diamond-fo.com/en/products_catalogue_details.asp?section=2&group=e2000&source=Assemblies&family=10101

Дальнейшее чтение [ править ]

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