钇安定氧化锆

钟安定氧化锆 (YSZ) 是一种陶瓷，其中通过添加氧化钇使二氧化锆的立方晶体结构在室温下稳定。 这些氧化物通常称为氧化锆 (ZrO2) 和氧化钇 (Y2O3)，因此得名。

根据该方案，纯二氧化锆经历了从单斜晶系（在室温下稳定）到四方晶系（约 1173 °C）再到立方晶系（约 2370 °C）的相变

单斜晶系 (1173 °C) ↔ 四方晶系 (2370 °C) ↔ 立方晶系 (2690 °C) ↔ 熔体。

获得稳定的烧结氧化锆陶瓷产品是困难的，因为体积变化很大，大约 5%，伴随着从四方晶系到单斜晶系的转变。 通过用稍大的离子替代晶格中的一些 Zr4+ 离子（离子半径为 0.82 Å，对于立方氧化锆的理想萤石晶格特征而言太小），可以在更宽的温度范围内稳定立方氧化锆的多晶型物 ，例如 Y3+ 的那些（离子半径为 0.96 Å）。 所得掺杂氧化锆材料称为稳定氧化锆。

与 YSZ 相关的材料包括氧化钙、氧化镁、氧化铈或氧化铝稳定的氧化锆，或部分稳定的氧化锆 (PSZ)。 Hafnia 稳定氧化锆的热导率降低约 25%，使其更适合热障应用。

尽管已知 8–9 mol% YSZ 在高达 1000 °C 的温度下无法完全稳定在纯立方 YSZ 相中。

与氧化钇稳定的氧化锆一起使用的常用缩写是：

• 部分稳定的氧化锆 ZrO2：
  • PSZ – 部分稳定的氧化锆
  • TZP – 四方氧化锆多晶
  • 4YSZ：含有 4 mol% Y2O3 部分稳定的 ZrO2，氧化钇稳定的氧化锆
• 完全稳定的氧化锆 ZrO2：
  • FSZ – 全稳定氧化锆
  • CSZ – 立方稳定氧化锆
  • 8YSZ – 含 8 mol% Y2O3 完全稳定的 ZrO2
  • 8YDZ – 8–9 mol% Y2O3 掺杂的 ZrO2：该材料未完全稳定并在高应用温度下分解，请参阅下一段）

热膨胀系数取决于氧化锆的改性如下：

• 单斜：7·10−6/K
• 四方晶系：12·10−6/K
• Y2O3 稳定：10,5·10−6/K

通过将氧化钇添加到纯氧化锆（例如完全稳定的 YSZ）中，Y3+ 离子取代了阳离子亚晶格上的 Zr4+。 因此，由于电荷中性而产生氧空位：

Y 2 O 3 → 2 Y Zr ′ + 3 O O x + V O ∙ ∙ 与 [ V O ∙ ∙ ] = 1 2 [ Y Zr ′ ] , {displaystyle {text{Y}}_{2}{ text{O}}_{3}to 2{text{Y}}_{text{Zr}}'+3{text{O}}_{text{O }}{text{x}}+{text{V}}_{text{O}}{bullet bullet }{text{ }}[{text{ V}}_{text{O}}{bullet bullet }]={frac {1}{2}}[{text{Y}}_{text{Zr} }'],}

这意味着两个 Y3+ 离子在阴离子亚晶格上产生一个空位。 这有助于在高温和高温下钇稳定氧化锆对 O2- 离子的适度导电性（以及导电性）。 这种传导 O2- 离子的能力使氧化钇稳定的氧化锆非常适合用作固体氧化物燃料电池中的固体电解质。

对于低掺杂浓度，稳定氧化锆的离子电导率随着 Y2O3 含量的增加而增加。 它的xxx值约为 8–9 mol%，几乎与温度 (800–1200 °C) 无关。 不幸的是，在这些温度下，8–9 mol% YSZ (8YSZ, 8YDZ) 也位于 YSZ 相图的两相场 (c+t) 中，这导致材料分解为 Y- 纳米尺度上的富集和耗尽区域，因此，操作过程中的电退化。 纳米尺度的微观结构和化学变化伴随着 8YSZ 的氧离子电导率（8YSZ 的降解）在 950°C 下 2500 小时内急剧下降约 40%。 溶解在 8YSZ 中的痕量杂质（例如，由于燃料电池制造）会对分解速率产生严重影响（8YSZ 的固有分解加速几个数量级），从而导致电导率下降甚至变得 在 500–700 °C 范围内的低操作温度下会出现问题。

如今，更复杂的陶瓷如共掺杂氧化锆（例如氧化钪）被用作固体电解质。

YSZ有许多应用：

• 因为它的硬度和化学惰性（例如，牙冠）。
• 作为耐火材料（例如喷气发动机）。
• 作为燃气轮机中的热障涂层。
• 由于其离子传导特性而用作电陶瓷（例如，用于确定废气中的氧气含量、测量高温水中和燃料电池中的 pH 值）。