ساختار پودر زیرکونیای پایدارشده با ایتریا

زیرکونیا تثبیت شده با ایتریا (YSZ) سرامیکی است که در آن ساختار کریستالی مکعب دی اکسید زیرکونیوم با افزودن اکسید ایتریوم در دمای اتاق پایدار می شود. این اکسیدها معمولاً “زیرکونیا” (ZrO₂) و “ایتریا” (Y₂O₃) نامیده می شوند ، از این رو نامگذاری شده است.

دی اکسید زیرکونیوم خالص، طبق طرح از مونوکلینیک (در دمای اتاق پایدار) به تتراگونال (در حدود 1173 درجه سانتیگراد) و سپس به مکعب (در حدود 2370 درجه سانتیگراد) تبدیل می شود:

monoclinic (1173 °C) ↔ tetragonal (2370 °C) ↔ cubic (2690 °C) ↔ melt

بدست آوردن محصولات سرامیکی زیرکونیا زینتر شده پایدار به دلیل تغییر حجم زیاد همراه با انتقال از تتراگونال به مونوکلینیک (حدود 5٪) دشوار است. تثبیت چند شکلی مکعبی زیرکونیا در دامنه وسیع تر دما با جایگزینی برخی از یون های ⁴⁺ Zr (شعاع یونی 0.82 آنگستروم ، برای شبکه ایده آل فلوریت مشخصه مکعب زیرکونیا) در شبکه کریستالی با یون های کمی بزرگتر انجام می شود( از Y ³⁺ (شعاع یونی 0.96 آنگستروم)). مواد زیرکونیا دوپ شده زیرکونیا تثبیت شده نامیده می شوند.

مواد مربوط به YSZ شامل زیرکونیاهای تثبیت شده با کلسیه ، منیزیا ، سیریا یا آلومینا و زیرکونیا های تا حدی تثبیت شده (PSZ) هاهستند. زیرکونیا تثبیت شده هافنیا نیز شناخته شده است .

اگرچه 8-9 مول درصد YSZ شناخته شده است اما در فاز مکعب خالص YSZ تا دمای بالای 1000 درجه سانتیگراد کاملاً تثبیت نمی شود.

مخفف های استفاده شده در رابطه با زیرکونیا تثبیت شده با ایتریا عبارتند از

• زیرکونیاهای تا حدی تثبیت شده

PSZ – زیرکونیا تا حدی تثبیت شده

TZP-  زیرکونیای تتراگونال پلی کریستال

ZrO₂– 4YSZ تا حدودی تثبیت شده با 4 درصد مولی Y₂O₃

• زیرکونیاهای کاملاً تثبیت شده

  FSZ – زیرکونیا کاملاً تثبیت شده

  CSZ – زیرکونیا تثبیت شده مکعبی

  ZrO₂ -8YSZ کاملاً تثبیت شده با 8 درصد مولی  Y₂O₃

8-9- 8YDZ درصد مولی Y₂O₃با  ZrO₂ دوپ شده

با افزودن ایتریا به زیرکونیا خالص (به عنوان مثال ، YSZ کاملاً تثبیت شده) یونهای Y ³⁺  جایگزین ⁴⁺ Zr در زیر شبکه کاتیونی می شوند. بدین ترتیب ، جای خالی اکسیژن به دلیل خنثی شدن شارژ ایجاد می شود. یعنی دو یون Y ³⁺ یک جای خالی در زیر شبکه آنیونی ایجاد می کنند. این رسانایی متوسط ​​زیرکونیا تثبیت شده در ایتریوم را برای یونهای  O ^2- (در نتیجه رسانایی الکتریکی) در دمای بالا و بالا تسهیل می کند. این توانایی در هدایت یونهای ⁻ O ² باعث می شود که زیرکونیا تثبیت شده در ایتریا به عنوان الکترولیت جامد در سلولهای سوختی اکسید جامد مناسب باشد.

نانوپودر یا نانوذرات زیرکونیا یا زیرکونیوم اکسید تثبیت شده (YSZ)، ن ذرات سفید رنگ با سطح بالا هستند که کاملاً تثبیت شده (8 درصد مولی) یا تا حدی تثبیت شده (3 درصد مولی) یا دوپ شده با ایتریا (اکسید ایتریوم) در دسترس هستند.

کاربرد های YSZ

•    در ایمپلنت ها به دلیل سختی و بی اثر بودن شیمیایی آن (به عنوان مثال تاج دندان).

•     به عنوان نسوز (به عنوان مثال ، در موتورهای جت).

•     به عنوان یک پوشش مانع حرارتی در توربین های گازی

•     به عنوان یک الکتروسرامیک به دلیل خاصیت هدایت یونی آن (به عنوان مثال ، برای تعیین مقدار اکسیژن در گازهای خروجی ، برای اندازه گیری pH در آب با درجه حرارت بالا ، در سلول های سوختی).

•     در تولید پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) استفاده می شود. YSZ به عنوان الکترولیت جامد استفاده می شود، که هدایت یون اکسیژن را در حین انتقال الکترونیکی امکان پذیر می کند. برای دستیابی به هدایت یونی کافی ، یک SOFC با الکترولیت YSZ باید در دماهای بالا (800 درجه سانتیگراد – 1000 درجه سانتیگراد) کار کند. گرچه این یک مزیت است که YSZ مقاومت مکانیکی را در آن دما حفظ کند. چگالی زیاد YSZ همچنین به منظور جدا کردن فیزیکی سوخت گازی از اکسیژن لازم است ، در غیر این صورت سیستم الکتروشیمیایی هیچ جریان الکتریکی تولید نمی کند.

•  به دلیل سختی و خصوصیات نوری به صورت مونو کریستال ، از آن به عنوان جواهرات استفاده می شود.

• به عنوان ماده ای برای تیغه های چاقوی غیر فلزی.

•   در خمیرهای پایه آب برای سرامیک و سیمان

•   YSZ دوپ شده با مواد کمیاب می تواند به عنوان یک فسفر حرارتی و یک ماده درخشان عمل کند.

• برای میله های درخشان در لامپ های Nernst استفاده می شود.

• به عنوان تراز دقیق برای اتصالات اتصال فیبر نوری.