Порошок стабилизированного иттрием диоксида циркония (YSZ) от Suoyi

Порошок стабилизированного иттрием диоксида циркония (YSZ) от Suoyi

1. Стабилизированный иттрием диоксид циркония (YSZ) — это высокоэффективный керамический материал, получаемый путем легирования диоксида циркония (ZrO2) оксидом иттрия (Y2O3). Сам диоксид циркония существует в трех кристаллических формах (моноклинной, тетрагональной и кубической), которые склонны к фазовым переходам при высоких температурах, что приводит к изменению объема. Легирование оксидом иттрия стабилизирует его кристаллическую форму, подавляет фазовые переходы и, таким образом, улучшает термическую стабильность, механическую прочность и химическую стабильность материала. В зависимости от количества легирующего оксида иттрия, YSZ можно классифицировать на типы 3YSZ (3 мол.% Y2O3), 5YSZ, 8YSZ и 13YSZ. Среди них 8YSZ демонстрирует превосходную ионную проводимость благодаря своей стабильной кубической фазовой структуре.

2. Основные характеристики порошка стабилизированного иттрием диоксида циркония
Высокая термическая стабильность
Легирование иттрием позволяет диоксиду циркония сохранять кубическую фазовую структуру при высоких температурах, избегая расширения или сжатия объема, вызванных фазовыми переходами, тем самым улучшая термостойкость и высокотемпературную стабильность материала. Например, 8YSZ сохраняет структурную стабильность при температуре выше 1000℃, что делает его пригодным для экстремально высоких температур.

Высокая механическая прочность и вязкость: керамика YSZ обладает механизмом упрочнения, вызванным фазовым превращением под действием напряжения. При воздействии на материал внешней силы тетрагональная фаза может трансформироваться в моноклинную фазу, поглощая энергию и предотвращая распространение трещин, тем самым значительно улучшая вязкость разрушения (до 7 МПа·м¹/²) и прочность на изгиб (до 1000 МПа).

Превосходная химическая стабильность: YSZ обладает высокой устойчивостью к кислотам, щелочам и агрессивным средам, что делает его подходящим для коррозионностойких компонентов в химической промышленности.
Хорошая ионная проводимость: 8YSZ обладает высокой проводимостью ионов кислорода (>0,1 С/см) при высоких температурах (600-1000℃), что делает его идеальным материалом для электролитного слоя твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Биосовместимость: Благодаря стабильной тетрагональной фазовой структуре, 3YSZ широко используется в стоматологических реставрациях (таких как коронки и мосты) и ортопедических имплантатах, демонстрируя превосходную биосовместимость и механические свойства по сравнению с традиционными материалами.
Низкая теплопроводность: YSZ имеет низкую теплопроводность (приблизительно 2 Вт/м·К), что делает его подходящим для теплозащитных покрытий. Он эффективно изолирует материал подложки от теплового удара высокотемпературных газов.

3. Применение порошка стабилизированного иттрием диоксида циркония
– Термобарьерные покрытия: покрытия из стабилизированного иттрием диоксида циркония используются в лопатках турбин и камерах сгорания авиационных двигателей, снижая температуру поверхности компонентов на 150–300 ℃ и продлевая срок их службы.

– Высокотемпературные конструкционные материалы: используются при производстве высокотемпературных компонентов, таких как сопла и лопатки двигателей.

– Энергетический сектор: твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ): 8YSZ служит электролитным слоем, проводящим ионы кислорода при высоких температурах для достижения высокоэффективного преобразования химической энергии в электрическую (эффективность достигает 50–60%).

– Датчики кислорода: используя ионную проводимость YSZ, определяется содержание кислорода в выхлопных газах автомобилей или промышленных отходящих газах для оптимизации эффективности сгорания.

– Биомедицина: Стоматологическая реставрация: Благодаря высокой прочности и эстетичности, 3YSZ используется для изготовления цельнокерамических коронок, мостов и имплантатов. Его прочность на излом вдвое выше, чем у оксида алюминия, а срок службы превышает 15 лет.
Ортопедические имплантаты: Абатменты из YSZ имеют на 30% меньшую бактериальную колонизацию, чем титановые абатменты, что делает их подходящими для искусственных суставов и материалов для фиксации костей.

– Промышленная керамика
Износостойкие компоненты: Используются при производстве компонентов, работающих в условиях сильного износа, таких как футеровки фрезерных станков, режущие инструменты и штампы для волочения проволоки, со сроком службы в 5 раз дольше, чем у твердосплавных материалов.

Огнеупорные материалы: Используются в качестве опорных пластин для спекания электронной керамики, а также в качестве огнеупорных материалов для расплавленного стекла или металлургических металлов.

– Электронные устройства
Пьезоэлектрические элементы и кислородочувствительные материалы: Используя пьезоэлектрический эффект и проводимость ионов кислорода YSZ, изготавливаются датчики и конденсаторы.
Фильтры для базовых станций 5G: Диэлектрическая постоянная YSZ (29-32) подходит для высокочастотных коммуникационных устройств, повышая устойчивость к электромагнитным помехам.

– Защита окружающей среды
Катализаторная основа: Пористые основы из YSZ обладают большой удельной поверхностью (>100 м²/г), и после загрузки драгоценных металлов каталитическая степень преобразования NOx превышает 90%.

Очистка сточных вод: Используется для адсорбции ионов тяжелых металлов с емкостью до 120 мг/г.

– Перспективные области
3D-печать керамических материалов: Порошок YSZ применяется в аэрокосмической и медицинской 3D-печати, обеспечивая высокоточное изготовление сложных конструкций.

Нанокомпозиты: При сочетании с графеном теплопроводность увеличивается до 65 Вт/(м·К), что делает их подходящими для использования в качестве материалов для рассеивания тепла.