Circonio estabilizado con itria

La zirconia estabilizada con itria ( YSZ ) es una cerámica en la que la estructura cristalina cúbica de la zirconia se estabiliza mediante la adición de itria a temperatura ambiente.

Estabilización

La zirconia pura sufre una transformación de fase de monoclínica (estable a temperatura ambiente) a tetragonal (a aproximadamente 1173°C) y luego a cúbica (alrededor de 2370°C) de acuerdo con el siguiente esquema:

monoclínico (1173 °С) tetragonal (2370 °С) cúbico (2690 °С) fusión $\leftrightarrow$ $\leftrightarrow$ $\leftrightarrow$

La obtención de un cuerpo cerámico sinterizado de zirconio estable es difícil debido al gran cambio de volumen que acompaña a la transición de tetragonal a monoclínica (alrededor del 5%). La estabilización del polimorfo de zirconia cúbica en un rango de temperatura más amplio se logra reemplazando algunos de los iones Zr 4+ (el radio iónico de 0,82 Å es demasiado pequeño para la red de fluorita ideal característica de la zirconia tetragonal) en una red cristalina con iones ligeramente más grandes , como Y 3+ (radio iónico 0,96 Å). Los óxidos de circonio dopados resultantes se denominan óxidos de circonio estabilizados . [una]

Los materiales relacionados con YSZ incluyen óxido de calcio , óxido de magnesio , óxido de cerio o zirconia estabilizada con alúmina o zirconia parcialmente estabilizada (PSZ).

Aunque el 8-9% molar de YSZ no está completamente estabilizado en fase cúbica pura de YSZ hasta temperaturas superiores a 1000 °C (trabajo [2] y publicaciones en el mismo), las siguientes abreviaturas son las más utilizadas:

Zirconia parcialmente estabilizada ZrO 2 :
- PSZ - óxido de circonio parcialmente estabilizado
- TZP - Policristal de óxido de circonio tetragonal
- 4YSZ - ZrO 2 , parcialmente estabilizado con 4 mol.% Y 2 O 3 , zirconia, parcialmente estabilizado con itria
Zirconia completamente estabilizada ZrO 2 :
- FSZ - circonio totalmente estabilizado
- CSZ - Zirconia cúbica estabilizada
- 8YSZ - ZrO 2 completamente estabilizado 8 mol.% Y 2 O 3
- 8YDZ - 8-9% mol. Y 2 O 3 dopado con ZrO 2 : debido al hecho de que el material no está completamente estabilizado y se descompone a altas temperaturas de aplicación, ver [3] [4] [5] )

Coeficiente de dilatación térmica

Los coeficientes de dilatación térmica dependen de la modificación del dióxido de circonio:

Monoclínico: 7 10 −6 /K [6]
Tetragonal: 12 10 −6 /K
Y 2 O 3 estabilizado: 10.5 10 −6 / K

Conductividad iónica YSZ y su degradación

Cuando se agrega itrio a la zirconia pura (por ejemplo, YSZ completamente estabilizada), los iones Y 3+ reemplazan a Zr 4+ en la subred catiónica. Por lo tanto, se forman vacantes de oxígeno debido a la neutralidad de carga: [7]

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

es decir, dos iones Y 3+ crean una vacante en la subred aniónica. Esto contribuye a la conductividad moderada de la zirconia estabilizada con itria para los iones de O 2 (y, por lo tanto, la conductividad eléctrica) a temperatura elevada y elevada. Esta capacidad de conducir iones O 2- hace que la zirconia estabilizada con itria sea adecuada para su uso como electrolito sólido en celdas de combustible de óxido sólido.

A bajas concentraciones de dopante, la conductividad iónica de los materiales estabilizados con óxido de circonio aumenta con el aumento del contenido de Y 2 O 3 . El máximo alcanzado en aproximadamente 8–9 mol.% es prácticamente independiente de la temperatura (en el rango de 800–1200°C). [1] [8] A estas temperaturas, 8-9 mol.% YSZ (8YSZ, 8YDZ) también resultó estar ubicado en el campo bifásico (c + t) del diagrama de fase YSZ, lo que conduce a la descomposición del material en regiones de agotamiento de Y y enriquecimiento de Y en la escala nanométrica y, por lo tanto, degradación eléctrica durante la operación. [4] Los cambios microestructurales y químicos a escala nanométrica van acompañados de una fuerte disminución de la conductividad ion-oxígeno de 8YSZ (degradación de 8YSZ) en aproximadamente un 40 % a 950 °C durante 2500 horas. [5] Las trazas de impurezas como el Ni disuelto en 8YSZ, por ejemplo debido a la fabricación de pilas de combustible, pueden tener un efecto grave en la tasa de descomposición (aceleración de la descomposición interna de 8YSZ por órdenes de magnitud), por lo que la degradación de conductividad se vuelve problemático incluso a bajas temperaturas de funcionamiento temperaturas en el rango de 500 a 700 °C. [9]

Actualmente, las cerámicas más complejas, como la zirconia co-dopada (p. ej., óxido de escandio), se utilizan como electrolitos sólidos.

Aplicaciones

YSZ tiene una serie de aplicaciones:

Como material duro y químicamente inerte (por ejemplo, en coronas dentales ).
Como refractario (por ejemplo, en motores a reacción).
Como revestimiento de barrera térmica en turbinas de gas .
Como electrocerámica debido a sus propiedades conductoras de iones (por ejemplo, para determinar el contenido de oxígeno en gases de escape, para medir el pH en agua a alta temperatura, en pilas de combustible).
Como electrolito sólido en la producción de celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), proporciona conductividad de iones de oxígeno mientras bloquea la conductividad electrónica. Para lograr una conductividad iónica suficiente, SOFC con electrolito YSZ debe operar a altas temperaturas (800°C-1000°C). [10] Si bien es beneficioso que YSZ retenga la resistencia mecánica a estas temperaturas, la alta temperatura requerida suele ser una desventaja de las SOFC. La alta densidad de YSZ también es necesaria para separar físicamente el combustible gaseoso del oxígeno, de lo contrario, el sistema electroquímico no producirá electricidad. [11] [12]
Como decoración por su dureza y propiedades ópticas en forma monocristalina.
Como material para hojas de cuchillos no metálicas .
Pastas al agua de cerámica y cementos artesanales. Contienen fibras YSZ molidas microscópicamente o partículas submicrónicas, a menudo con silicato de potasio y acetato de circonio (a pH ligeramente ácido). La cementación se produce cuando se elimina el agua. El material cerámico resultante es adecuado para aplicaciones a muy altas temperaturas.
YSZ dopado con materiales de tierras raras puede actuar como un fósforo termográfico y material luminiscente. [13]
Históricamente utilizado para varillas luminosas en lámparas Nernst .
Como manguito de centrado de alta precisión para terminales de cable de fibra óptica. [catorce]

Notas

↑ 1 2 H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, "La química de la cerámica", John Wiley & Sons, 1996. ISBN 0 471 95627 9 .
↑ Butz, Benjamín. Zirconia dopada con itria como electrolito sólido para aplicaciones de pilas de combustible: Aspectos fundamentales . — Southwestdt. Verl. für Hochschulschr., 2011. - ISBN 978-3-8381-1775-1 . Archivado el 17 de febrero de 2020 en Wayback Machine .
↑ . - ISBN 978-3-8381-1775-1 .
↑ 1 2 Butz, B. Descomposición de zirconia dopada con 8,5% mol. Y2O3 y su contribución a la degradación de la conductividad iónica // Acta Materialia : diario. - 2009. - 1 de octubre ( vol. 57 , n. 18 ). - Pág. 5480-5490 . -doi : 10.1016/ j.actamat.2009.07.045 .
↑ 1 2 Butz, B. Correlación entre la microestructura y la degradación de la conductividad para ZrO2 dopado con Y2O3 cúbico // Iónica de estado sólido : diario. - 2006. - 1 de diciembre ( vol. 177 , no. 37-38 ). - Pág. 3275-3284 . -doi : 10.1016/ j.ssi.2006.09.003 .
↑ Matweb: CeramTec 848 Zirconia (ZrO 2 ) Archivado el 17 de febrero de 2020 en Wayback Machine & Zirconium Oxide, Zirconia, ZrO 2 Archivado el 17 de febrero de 2020 en Wayback Machine
↑ Hund, F. Anomale Mischkristalle im System ZrO2–Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte (alemán) // Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie: magazin. - 1951. - Bd. 55 . - S. 363-366 .
↑ Butz, Benjamín. Zirconia dopada con itria como electrolito sólido para aplicaciones de pilas de combustible: Aspectos fundamentales . - 2011. - ISBN 978-3-8381-1775-1 . Archivado el 17 de febrero de 2020 en Wayback Machine .
↑ Butz, B. Degradación acelerada de zirconia dopada con 8,5% mol de Y2O3 por Ni disuelto // Solid State Ionics : diario. - 2012. - 25 de abril ( vol. 214 ). - P. 37-44 . -doi : 10.1016/ j.ssi.2012.02.023 .
↑ Song, B. Estabilidad mecánica mejorada del andamio Ni-YSZ demostrada por nanoindentación y espectroscopia de impedancia electroquímica // Journal of Power Sources : diario. - 2018. - Agosto ( vol. 395 ). - pág. 205-211 . -doi : 10.1016/ j.jpowsour.2018.05.075 .
↑ Minh, NQ Ceramic Fuel-Cells // Revista de la Sociedad Americana de Cerámica : diario. - 1993. - vol. 76 , núm. 3 . - pág. 563-588 . -doi : 10.1111/ j.1151-2916.1993.tb03645.x .
↑ De Guire, Eileen. Pilas de combustible de óxido sólido . - CSA, 2003. Archivado desde el original el 5 de noviembre de 2014.
↑ Sociedad Americana de Cerámica. Avances en Recubrimientos de Barrera Térmica. - 2009. - S. 139 -. — ISBN 978-0-470-40838-4 .
↑ DIAMANTE SA | Soluciones de interconexión de fibra óptica . Fecha de acceso: 17 de febrero de 2020. Archivado desde el original el 22 de enero de 2013. (indefinido)