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钇稳定氧化锆

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钇安定氧化锆 (英文:Yttria-stabilized zirconia, YSZ) 是一种陶瓷材料,借由添加氧化钇改变二氧化锆的相变态温度范围,产生室温下稳定的立方晶体及四方晶体。

机制

纯氧化锆在室温为单斜晶相,温度上升至约1173℃时会转变成四方晶相,上升至2370℃时则转换成立方晶相,于2690℃变成液相。

单斜晶相(相变态温度:1173 °C)四方晶相(相变态温度:2370 °C)立方晶相(熔点/凝固点:2690 °C)液体

纯氧化锆从高温冷却至室温,经过相变态温度时正方晶转换成单斜晶,因其体积剧烈改变,造成烧结后的成品含有微裂缝,往往不堪使用。二氧化锆室温下不以立方晶相(萤石晶体结构)存在,但借由添加其他的氧化物,可大幅增加二氧化锆以立方晶相稳定存在的温度范围。参杂相安定剂的二氧化锆被称作稳定化氧化锆(stabilized zirconias).[1]

除了氧化钇,氧化钙氧化镁二氧化铈氧化铝氧化钪等也可以做为二氧化锆的相安定剂。

添加不同比例氧化钇的二氧化锆有其术语,英译如下:

  • 4YSZ - 96 mol% ZrO2 4 mol% Y2O3 
  • 部分安定氧化锆 (Partially Stabilized Zirconia, PSZ)
  • 四方晶氧化锆 (Tetragonal Zirconia Polycrystal, TZP)
  • 8YSZ - 92 mol% ZrO2 8 mol% Y2O3 
  • 全安定化氧化锆 (Fully Stabilized Zirconia, FSZ) 
  • 立方晶氧化锆(Cubic Stabilized Zirconia, CSZ)

因氧化钇含量而异,线膨胀系数大致为8-10 µm/m°C [2]

离子导电性

钇安定氧化锆晶体结构示意图

二氧化锆添加氧化钇,以Y2O3置换部分Zr2O4,晶体保持电中性立方晶相而有 O2− 空位。由于热运动可促使 O2− 及空位迁移,钇安定氧化锆在高温具有离子导电性,电导率温度上升而增加。利用钇安定氧化锆的材料特性,可做为固态氧化物燃料电池元件。[1]

用途

全瓷牙冠

钇安定氧化锆(YSZ)硬度高且化学活性低,作为原料应用于:

  • 人工牙冠
  • 耐火材料 (例如: 喷射机引擎、汽车陶瓷煞车片)
  • 燃气涡轮机热阻障层
  • 电子陶瓷 (例如: 侦测汽车废气氧气含量的氧气感测器英语Oxygen sensor、高温高压水溶液之pH计探针、燃料电池).
  • 固态氧化物燃料电池 (SOFC)。钇安定氧化锆(YSZ)为其中之固态电解质,氧离子可在高温(约800 °C-1000 °C)下移动,借由电极两端的氧气浓度差产生电动势。虽然钇安定氧化锆(YSZ)在高温下仍保有相当的机械强度,运作环境温度过高为这种发电方式的不利条件。此外,也需要相当尺寸、用量的固态电解质以分隔两处的气体。[3]
  • 合成俗称苏联钻的立方氧化锆,有足以媲美钻石的闪耀及硬度。
  • 陶瓷刀
  • 掺杂稀土元素可做为磷光测温法的热阻障层(TBC)兼发光物质[4]
  • (二十世纪早期)能斯脱灯泡(Nernst lamp) 的灯丝
  • 光纤陶瓷接头、袖管

参考文献 

  1. ^ 1.0 1.1 H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, "The Chemistry of Ceramics", John Wiley & Sons, 1996.
  2. ^ Matweb: Yttria Stabilized Zirconia 页面存档备份,存于互联网档案馆
  3. ^ Minh, N.Q. Ceramic Fuel-Cells. Journal of the American Ceramic Society. 1993, 76 (3): 563–588. doi:10.1111/j.1151-2916.1993.tb03645.x. 
  4. ^ American Ceramic Society. Progress in Thermal Barrier Coatings. John Wiley and Sons. 29 May 2009: 139– [23 October 2011]. ISBN 978-0-470-40838-4. 

阅读更多 

Green, D.J.; Hannink, R.; Swain, M.V. (1989). Transformation Toughening of Ceramics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5. 

高品质氧化锆粉体之应用页面存档备份,存于互联网档案馆