Circonita estabilizada con itria

Cerámica con estructura de cristal cúbico estable a temperatura ambiente

Estructura cristalina de circonio estabilizado con itria (YSZ)

La circonia estabilizada con itrio ( YSZ ) es una cerámica en la que la estructura cristalina cúbica del dióxido de circonio se estabiliza a temperatura ambiente mediante la adición de óxido de itrio . Estos óxidos se denominan comúnmente "zirconia" ( Zr O ₂ ) e "itria" ( Y ₂ O ₃ ), de ahí el nombre.

Estabilización

Ver también: dióxido de circonio § Propiedades de ingeniería

El dióxido de circonio puro sufre una transformación de fase de monoclínica (estable a temperatura ambiente) a tetragonal (a aproximadamente 1173 ° C) y luego a cúbica (a aproximadamente 2370 ° C), de acuerdo con el esquema:

monoclínica (1173 ° C) tetragonal (2370 ° C) cúbica (2690 ° C) fundido${\displaystyle \leftrightarrow }$${\displaystyle \leftrightarrow }$${\displaystyle \leftrightarrow }$

La obtención de productos cerámicos de circonio sinterizado estables es difícil debido al gran cambio de volumen que acompaña a la transición de tetragonal a monoclínica (aproximadamente 5%). La estabilización del polimorfo cúbico de zirconia en un rango más amplio de temperaturas se logra mediante la sustitución de algunos de los iones Zr ⁴⁺ (radio iónico de 0,82 Å, demasiado pequeño para la red ideal de fluorita característica de la zirconia cúbica) en la red cristalina con un ligero iones más grandes, por ejemplo, los de Y ³⁺ (radio iónico de 0,96 Å). Los materiales de zirconia dopados resultantes se denominan zirconias estabilizadas . ^[1]

Los materiales relacionados con YSZ incluyen circonias estabilizadas con calcia , magnesia , ceria o alúmina , o circonias parcialmente estabilizadas (PSZ). También se conoce la zirconia estabilizada con Hafnia ^{[ cita requerida ]} .

Aunque se sabe que 8–9% en moles de YSZ no se estabiliza completamente en la fase de YSZ cúbica pura hasta temperaturas superiores a 1000 ° C. ^[2]

Las abreviaturas de uso común junto con la zirconia estabilizada con itria son:

• Circonita parcialmente estabilizada ZrO ₂ :
  • PSZ - Zirconia parcialmente estabilizada
  • TZP - Policristal de circonita tetragonal
  • 4YSZ: con 4% molar de Y ₂ O ₃ ZrO ₂ parcialmente estabilizado , Zirconia estabilizada con itria
• Circonitas ZrO ₂ totalmente estabilizadas :
  • FSZ - Zirconia totalmente estabilizada
  • CSZ - Circonita estabilizada cúbica
  • 8YSZ - con 8% en moles de Y ₂ O ₃ ZrO ₂ totalmente estabilizado
  • 8YDZ - 8–9% en moles de Y ₂ O ₃ -dopado de ZrO ₂ : debido al hecho de que el material no está completamente estabilizado y se descompone a altas temperaturas de aplicación, consulte el párrafo siguiente, párrafos ^{[2] [3] [4]} )

Coeficiente de expansión térmica

Los coeficientes de expansión térmica dependen de la modificación de la zirconia de la siguiente manera:

• Monoclínico: 7 · 10 ⁻⁶ / K ^[5]
• Tetragonal: 12 · 10 ⁻⁶ / K ^[5]
• Y ₂ O ₃ estabilizado: 10,5 · 10 ⁻⁶ / K ^[5]

Conductividad iónica de YSZ y su degradación.

Mediante la adición de itria a zirconia pura (p. Ej., YSZ totalmente estabilizado), los iones Y ³⁺ reemplazan a Zr ⁴⁺ en la subred catiónica. De este modo, se generan vacantes de oxígeno debido a la neutralidad de la carga: ^[6]

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

lo que significa que dos iones Y ³⁺ generan una vacante en la subred aniónica. Esto facilita la conductividad moderada de la zirconia estabilizada con itrio para los iones O ²⁻ (y por lo tanto la conductividad eléctrica) a temperaturas elevadas y altas. Esta capacidad para conducir iones O ²⁻ hace que la zirconia estabilizada con itria sea muy adecuada para su aplicación como electrolito sólido en celdas de combustible de óxido sólido.

Para concentraciones bajas de dopante, la conductividad iónica de las zirconias estabilizadas aumenta al aumentar el contenido de Y ₂ O ₃ . Tiene un máximo de alrededor de 8–9% en moles casi independiente de la temperatura (800–1200 ° C). ^{[1] [2]} Desafortunadamente, 8-9 mol% YSZ (8YSZ, 8YDZ) también resultó estar situado en el campo de 2 fases (c + t) del diagrama de fase YSZ a estas temperaturas, lo que provoca la descomposición del material. en regiones enriquecidas y empobrecidas en Y en la escala nm y, en consecuencia, la degradación eléctrica durante el funcionamiento. ^[3] Los cambios microestructurales y químicos en la escala nm van acompañados de la drástica disminución de la conductividad de iones de oxígeno de 8YSZ (degradación de 8YSZ) de aproximadamente un 40% a 950 ° C en 2500 horas.^[4] Las trazas de impurezas como el Ni, disueltas en el 8YSZ, por ejemplo, debido a la fabricación de pilas de combustible, pueden tener un impacto severo en la tasa de descomposición (aceleración de la descomposición inherente del 8YSZ en órdenes de magnitud) de tal manera que la degradación de la conductividad incluso se vuelve problemática a bajas temperaturas de funcionamiento en el rango de 500–700 ° C. ^[7]

Hoy en día, las cerámicas más complejas como la zirconia codopada (por ejemplo, con Scandia, ...) se utilizan como electrolitos sólidos.

Aplicaciones

Varias coronas dentales sin metal

YSZ tiene varias aplicaciones:

• Por su dureza e inercia química (p. Ej., Coronas dentales ).
• Como refractario (p. Ej., 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 los gases de escape, para medir el pH en agua a alta temperatura, en pilas de combustible).
• Se utiliza en la producción de una pila de combustible de óxido sólido (SOFC). YSZ se utiliza como electrolito sólido , que permite la conducción de iones de oxígeno mientras bloquea la conducción electrónica. Para lograr una conducción iónica suficiente, una SOFC con un electrolito YSZ debe operarse a altas temperaturas (800 ° C-1000 ° C). ^[8] Si bien es ventajoso que YSZ conserve la robustez mecánica a esas temperaturas, la alta temperatura necesaria suele ser una desventaja de las SOFC. La alta densidad de YSZ también es necesaria para separar físicamente el combustible gaseoso del oxígeno, o de lo contrario el sistema electroquímico no produciría energía eléctrica. ^{[9] [10]}
• Por su dureza y propiedades ópticas en forma monocristalina (ver " circonita cúbica "), se utiliza como joyería.
• Como material para hojas de cuchillo no metálicas , producido por las empresas Boker y Kyocera.
• En pastas al agua para cerámicas y cementos de bricolaje . Estos contienen fibras microscópicas molidas YSZ o partículas submicrométricas, a menudo con aglutinantes de silicato de potasio y acetato de circonio (a pH ligeramente ácido). La cementación se produce al eliminar el agua. El material cerámico resultante es adecuado para aplicaciones de muy alta temperatura.
• YSZ dopado con materiales de tierras raras puede actuar como un fósforo termográfico y un material luminiscente. ^[11]
• Utilizado históricamente para varillas incandescentes en lámparas Nernst .
• Como manguito de alineación de alta precisión para casquillos de conectores de fibra óptica. ^[12]

Ver también

• Circonita cúbica  : la forma cristalina cúbica del dióxido de circonio.
• Sinterización  : proceso de formación y unión de material por calor o presión.
• Alambre superconductor  : alambres que exhiben resistencia cero

Referencias

1. H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, "La química de la cerámica", John Wiley & Sons, 1996. ISBN  0 471 95627 9 .
2. Butz, Benjamin (2011). Circonio dopado con itria como electrolito sólido para aplicaciones de pilas de combustible: aspectos fundamentales . Südwestdt. Verl. für Hochschulschr. ISBN 978-3-8381-1775-1.
3. Butz, B .; Schneider, R .; Gerthsen, D .; Schowalter, M .; Rosenauer, A. (1 de octubre de 2009). "Descomposición de circonio dopado con Y2O3 al 8,5% en moles y su contribución a la degradación de la conductividad iónica". Acta Materialia . 57 (18): 5480–5490. doi : 10.1016 / j.actamat.2009.07.045 .
4. Butz, B .; Kruse, P .; Störmer, H .; Gerthsen, D .; Müller, A .; Weber, A .; Ivers-Tiffée, E. (1 de diciembre de 2006). "Correlación entre microestructura y degradación de la conductividad para ZrO2 dopado con Y2O3 cúbico". Iónicos de estado sólido . 177 (37–38): 3275–3284. doi : 10.1016 / j.ssi.2006.09.003 .
5. Telaraña: CeramTec 848 Zirconia (ZrO 2 ) y Óxido de Zirconio, Zirconia, ZrO 2
6. Hund, F (1951). "Anomale Mischkristalle im System ZrO2 – Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte". Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie . 55 : 363–366.
7. Butz, B .; Lefarth, A .; Störmer, H .; Utz, A .; Ivers-Tiffée, E .; Gerthsen, D. (25 de abril de 2012). "Degradación acelerada de circonio dopado con Y2O3 al 8,5% en moles por Ni disuelto". Iónicos de estado sólido . 214 : 37–44. doi : 10.1016 / j.ssi.2012.02.023 .
8. Canción, B .; Ruiz-Trejo, E .; Brandon, NP (agosto de 2018). "Estabilidad mecánica mejorada del andamio de Ni-YSZ demostrado por nanoindentación y espectroscopía de impedancia electroquímica" . Revista de fuentes de energía . 395 : 205–211. Código bibliográfico : 2018JPS ... 395..205S . doi : 10.1016 / j.jpowsour.2018.05.075 .
9. Minh, NQ (1993). "Pilas de combustible cerámicas". Revista de la Sociedad Americana de Cerámica . 76 (3): 563–588. doi : 10.1111 / j.1151-2916.1993.tb03645.x .
10. De Guire, Eileen (2003). Pilas de combustible de óxido sólido (Informe). CSA.
11. Sociedad Americana de Cerámica (29 de mayo de 2009). Avances en recubrimientos de barrera térmica . John Wiley e hijos. págs. 139–. ISBN 978-0-470-40838-4. Consultado el 23 de octubre de 2011 .
12. http://www.diamond-fo.com/en/products_catalogue_details.asp?section=2&group=e2000&source=Assemblies&family=10101

Otras lecturas

• Green, DJ; Hannink, R .; Swain, MV (1989). Endurecimiento por transformación de cerámica . Boca Ratón: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2.