Діокси́д цирко́нію, стабілізо́ваний окси́дом і́трію (, YSZ) — цирконієва кераміка, у якій кубічна кристалічна структура діоксиду цирконію () стабілізується додаванням оксиду ітрію () зазвичай у концентраціях від 3 до 8 моль%.

Стабілізація Чистий діоксид цирконію при нагріванні зазнає фазового перетворення з моноклінного (стабільного за кімнатної температури) у тетрагональний (приблизно при 1173 °С), а потім у кубічний (бл. 2370 °С) за такою схемою:

моноклінний <->[1173~^\circ\text{C}] тетрагональний <->[2370~^\circ\text{C}] кубічний <->[2690~^\circ\text{C}] плавлення

Отримання стабільного спеченого керамічного виробу з діоксиду цирконію утруднене через суттєву зміну об'єму (близько 5 %), що супроводжує перехід від тетрагонального до моноклінного. Стабілізація кубічного діоксиду цирконію в ширшому інтервалі температур досягається заміщенням деяких іонів Zr4+ (іонний радіус 0,82 Å) у кристалічній ґратці на Y3+ (іонний радіус 0,96 Å). Отримані леговані оксиди цирконію називають стабілізованими оксидами цирконію.

Наприклад, 8YSZ (8 моль% оксиду ітрію) — модифікація діоксиду цирконію вважається повністю стабілізованою і має високу температурну стабільність та забезпечує високу стійкість до термічного удару, вогнетривкість, міцність та корозійну стійкість. Такий склад належить до групи повністю стабілізованого діоксиду цирконію (FSZ — Fully Stabilised Zirconia). Частково стабілізований діоксид цирконію (PSZ — Partially Stabilised Zirconia) — модифікація діоксиду цирконію, яка частково стабілізована оксидом ітрію. Наприклад, 4YSZ — діоксид цирконію, частково стабілізований 4 моль% . Як результат, PSZ має нижчу температурну стабільність порівняно з FSZ, але він має кращі механічні властивості, такі як та міцність на згин. Він є зносостійкий та не такий крихкий, як інша кераміка.

Коефіцієнт теплового розширення Значення коефіцієнтів теплового розширення залежать від ступеня модифікації діоксиду цирконію:

Моноклінний: 7 · 10−6/КMatweb: CeramTec 848 Zirconia (ZrO2) & Zirconium Oxide, Zirconia, ZrO2 Тетрагональний: 12 · 10−6/К Y2O3 стабілізований: 10,5 · 10−6/К

Іонна провідність YSZ та її деградація При додаванні ітрію до чистого діоксиду цирконію (наприклад, повністю стабілізований YSZ) іони Y3+ заміщають Zr4+ на катіонній підґратці. Виходячи з балансу заряду утворюються кисневі вакансії:

с

тобто два іони Y3+ утворюють одну вакансію на аніонній підґратці. Це сприяє помірній провідності діоксиду цирконію, стабілізованого оксидом ітрію, для іонів O2− (і, отже, електропровідності) при підвищеній і високій температурі. Ця здатність проводити іони O2− робить стабілізований оксидом ітрію діоксид цирконію придатним для застосування у ролі твердого електроліту у твердооксидних паливних елементах.

При низьких концентраціях легувальної домішки іонна провідність речовини зростає із збільшенням вмісту . Максимум, що досягається при близько 8—9 моль% практично не залежить від температури (в діапазоні 800—1200 °С). На жаль, при цих температурах 8-9 моль% YSZ (8YSZ, 8YDZ) також відбувається розпад матеріалу на Y-збагачені і Y-збіднені фази на нанометровому масштабі і, як наслідок, спостерігається електрична деградація під час роботи. Мікроструктурні і хімічні зміни в нанометровому масштабі супроводжуються різким зниженням іонно-кисневої провідності 8YSZ (деградація 8YSZ) приблизно на 40 % при 950 °С протягом 2500 годин. Сліди домішок, таких як Ni, розчинених у 8YSZ, наприклад, при виготовленні паливних елементів, можуть суттєво впливати на швидкість розкладання (спостерігається прискорення внутрішнього розкладання 8YSZ на порядки величини), так що погіршення провідності стає проблемою навіть при низьких робочих температурах в діапазоні 500—700 °С.

В даний час у ролі твердих електролітів використовуються складніші кераміки, такі як діоксид цирконію, легований одночасно оксидом ітрію і, наприклад, .

Застосування

YSZ знайшов низку застосувань:

Як твердий і хімічно інертний матеріал (наприклад, у ). Як вогнетрив (наприклад, в реактивних двигунах). У ролі термобар'єрного покриття в газових турбінах. Як завдяки іонопровідним властивостям (наприклад, для визначення вмісту кисню у вихлопних газах, для вимірювання pH у високотемпературній воді, в паливних елементах). Як твердий електроліт у виробництві твердооксидних паливних елементів (SOFC), що забезпечує провідність іонів кисню при блокуванні електронної провідності. Щоб досягнути достатньої іонної провідності, SOFC з електролітом YSZ має працювати при високих температурах (800—1000 °C). Хоч вигідно, щоб YSZ зберігав механічну міцність при цих температурах, необхідна висока температура часто є недоліком SOFC. Висока щільність YSZ також потрібна для фізичного відокремлення газоподібного палива від кисню, інакше електрохімічна система не буде виробляти електроенергію. Як синтетична імітація дорогоцінного каміння завдяки твердості і оптичним властивостям у монокристалічній формі (див. фіаніт). Як матеріал для керамічних ножових лез. У пастах на водній основі для самостійного виготовлення кераміки та цементів. Вони містять мікроскопічні подрібнені волокна YSZ або субмікронні частинки, часто зі зв'язуючими речовинами на основі силікату калію та ацетату цирконію (при слабокислому pH). Цементація відбувається після видалення води. Отриманий керамічний матеріал придатний для застосування при дуже високих температурах. YSZ, легований рідкоземельними матеріалами, може виступати як термографічний люмінофора та люмінесцентний матеріал. У минулому використовувався для світильних стрижнів у лампах Нернста. Як високоточна центрувальна втулка для кабельних наконечників оптоволокна.

Примітки

Література