Yttria-stabilisert zirkonia

Yttria-stabilisert zirkonia (YSZ) er en keramikk der den kubiske krystallstrukturen av zirkoniumdioksid som gjøres stabil ved romtemperatur ved tilsetning av yttriumoksid. Disse oksidene kalles ofte "zirkonia" (Zr O₂) og "yttria" (Y₂ O₃), derav navnet.

Stabilisering rediger

Rent zirkoniumdioksid gjennomgår en faseomdannelse fra monoklin (stabil ved romtemperatur) til tetragonal (ved ca. 1173 °C) og deretter til kubisk (ved ca. 2370 °C), i henhold til skjemaet:

monoklin (1173 °C) ↔ tetragonal (2370 °C) ↔ kubisk (2690 °C) ↔ smeltet

Å skaffe stabile sintrede zirkoniumoksid keramiske produkter er vanskelig på grunn av den store volumendringen som følger med overgangen fra tetragonal til monoklinisk (ca. 5% endring). Stabilisering av den kubiske polymorfen av zirkoniumdioksid over et større temperaturområde oppnås ved å erstatte noen av Zr⁴⁺ -ionene (ionradius på 0,82 Å, som er for liten for ideell gitter av fluoritt som er karakteristisk for kubisk zirkoniumdioksid) i krystallgitteret med litt større ioner f.eks. de med Y³⁺ (ionisk radius på 0,96 Å). De resulterende dopede zirkoniumdioksidmaterialene kalles stabiliserte zirkonier.^[1]

Materialer relatert til YSZ inkluderer kalsium-, magnesium-, cerium- eller aluminiumoksid stabiliserte zirkonier eller delvis stabiliserte zirkonier (PSZ). Hafnia stabilisert Zirconia er også kjent.

Selv om det er kjent at 8-9 mol% YSZ ikke er helt stabilisert i den rene kubiske YSZ-fasen opp til temperaturer over 1000 °C.^[2]

Vanlige forkortelser i forbindelse med yttria-stabilisert zirkoniumdioksid er:

Delvis stabilisert zirkonia ZrO₂:
- PSZ - Delvis stabilisert zirkonia
- TZP -Tetragonal Zirconia Polycrystal
- 4YSZ: med 4 mol-% Y₂O₃ delvis stabilisert ZrO₂, Yttria stabilisert Zirconia
Fullt stabiliserte zirkonier ZrO₂:
- FSZ - Fullt stabilisert Zirconia
- CSZ - Cubic Stabilized Zirconia
- 8YSZ - med 8 mol% Y₂O₃ fullt stabilisert ZrO2
- 8YDZ - 8–9 mol% Y2O3-dopet ZrO₂: på grunn av at materialet ikke er helt stabilisert og nedbrytes ved høye påføringstemperaturer.^[2]^[3]^[4]

Ionisk ledningsevne til YSZ og dens nedbrytning rediger

Ved tilsetning av yttria til ren zirkoniumdioksid (f.eks. Fullstabilisert YSZ) erstatter Y³⁺ -ioner Zr⁴⁺ på det kationiske undergitteret. Dermed genereres oksygen vakans på grunn av ladningsnøytralitet:^[5] ${\text{Y}}_{2}{\text{O}}_{3}\rightarrow 2{\text{Y}}_{\text{Zr}}^{'}+3{\text{O}}_{\text{O}}^{\text{x}}+{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }$ med $[{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }]={\frac {1}{2}}[{\text{Y}}_{\text{Zr}}^{'}]$ ,

som betyr at to Y³⁺ -ioner genererer en ledig vakans på det anioniske undergitteret. Dette letter moderat ledningsevne for yttriumstabilisert zirkoniumoksid for O^2--ioner (og dermed elektrisk ledningsevne) ved forhøyet og høy temperatur. Denne evnen til å lede O^2--ioner gjør yttria-stabilisert zirkoniumoksid godt egnet for påføring som fast elektrolytt i faste oksidbrenselceller.

For lave doping konsentrasjoner øker den ioniske ledningsevnen til de stabiliserte zirkoniene med økende Y₂O₃-innhold. Den har maksimalt rundt 8–9 mol% nesten uavhengig av temperaturen (800–1200 °C).^[1]^[2] Dessverre viste 8-9 mol% YSZ (8YSZ, 8YDZ) seg å ligge i 2-fasefeltet (c + t) i YSZ-fasediagrammet ved disse temperaturene, noe som fører til at materialet spaltes til Y-beriket og utarmet regioner på nm-skalaen og følgelig elektrisk nedbrytning under drift.^[3] De mikrostrukturelle og kjemiske endringene på nm-skalaen er ledsaget av den drastiske reduksjonen av oksygen-ion-ledningsevnen til 8YSZ (nedbrytning av 8YSZ) på omtrent 40% ved 950 °C innen 2500 timer.^[4] Spor av urenheter som Ni, oppløst i 8YSZ, f.eks. På grunn av brenselcellefabrikasjon, kan ha en alvorlig innvirkning på nedbrytningshastigheten (akselerasjon av iboende nedbrytning av 8YSZ etter størrelsesorden) slik at nedbrytningen av ledningsevne til og med blir problematisk ved lave driftstemperaturer i området 500–700 °C.^[6]

Referanser rediger

^ ^a ^b Saha, Sudeshna; Singhal, R. K.; Basu, H.; Pimple, M. V. (2016). «Ammonium molybdate phosphate functionalized silicon dioxide impregnated in calcium alginate for highly efficient removal of 137Cs from aquatic bodies». RSC Advances. 98. 6: 95620–95627. ISSN 2046-2069. doi:10.1039/c6ra20283g. Besøkt 23. april 2021.
^ ^a ^b ^c Butz, Benjamin (2011). Yttria-doped zirconia as solid electrolyte for fuel-cell applications fundamental aspects. Saarbrücken. ISBN 978-3-8381-1775-1. OCLC 724475217.
^ ^a ^b Butz, B.; Schneider, R.; Gerthsen, D.; Schowalter, M.; Rosenauer, A. (Oktober 2009). «Decomposition of 8.5mol.% Y2O3-doped zirconia and its contribution to the degradation of ionic conductivity». Acta Materialia. 18 (engelsk). 57: 5480–5490. doi:10.1016/j.actamat.2009.07.045. Besøkt 23. april 2021.
^ ^a ^b Butz, B; Kruse, P; Stormer, H; Gerthsen, D; Muller, A; Weber, A; Iverstiffee, E (Desember 2006). «Correlation between microstructure and degradation in conductivity for cubic Y2O3-doped ZrO2». Solid State Ionics. 37-38 (engelsk). 177: 3275–3284. doi:10.1016/j.ssi.2006.09.003. Besøkt 23. april 2021.
^ Hund, F (1951). "Anomale Mischkristalle im System ZrO2–Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte". Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie. 55: 363–366.
^ Butz, B.; Lefarth, A.; Störmer, H.; Utz, A.; Ivers-Tiffée, E.; Gerthsen, D. (April 2012). «Accelerated degradation of 8.5mol% Y2O3-doped zirconia by dissolved Ni». Solid State Ionics (engelsk). 214: 37–44. doi:10.1016/j.ssi.2012.02.023. Besøkt 23. april 2021.

[:1-1] Saha, Sudeshna; Singhal, R. K.; Basu, H.; Pimple, M. V. (2016). «Ammonium molybdate phosphate functionalized silicon dioxide impregnated in calcium alginate for highly efficient removal of 137Cs from aquatic bodies». RSC Advances. 98. 6: 95620–95627. ISSN 2046-2069. doi:10.1039/c6ra20283g. Besøkt 23. april 2021.

[:0-2] Butz, Benjamin (2011). Yttria-doped zirconia as solid electrolyte for fuel-cell applications fundamental aspects. Saarbrücken. ISBN 978-3-8381-1775-1. OCLC 724475217.

[:2-3] Butz, B.; Schneider, R.; Gerthsen, D.; Schowalter, M.; Rosenauer, A. (Oktober 2009). «Decomposition of 8.5mol.% Y2O3-doped zirconia and its contribution to the degradation of ionic conductivity». Acta Materialia. 18 (engelsk). 57: 5480–5490. doi:10.1016/j.actamat.2009.07.045. Besøkt 23. april 2021.

[:3-4] Butz, B; Kruse, P; Stormer, H; Gerthsen, D; Muller, A; Weber, A; Iverstiffee, E (Desember 2006). «Correlation between microstructure and degradation in conductivity for cubic Y2O3-doped ZrO2». Solid State Ionics. 37-38 (engelsk). 177: 3275–3284. doi:10.1016/j.ssi.2006.09.003. Besøkt 23. april 2021.

[5] Hund, F (1951). "Anomale Mischkristalle im System ZrO2–Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte". Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie. 55: 363–366.

[6] Butz, B.; Lefarth, A.; Störmer, H.; Utz, A.; Ivers-Tiffée, E.; Gerthsen, D. (April 2012). «Accelerated degradation of 8.5mol% Y2O3-doped zirconia by dissolved Ni». Solid State Ionics (engelsk). 214: 37–44. doi:10.1016/j.ssi.2012.02.023. Besøkt 23. april 2021.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]