الزركونيا المثبتة بالإيتريا

الزركونيا المثبتة بالإيتريوم ( YSZ ) هي نوع من السيراميك يتم فيه تثبيت البنية البلورية المكعبة لثاني أكسيد الزركونيوم عند _درجة حرارة الغرفة بإضافة أكسيد الإيتريوم . وتُعرف هذه الأكاسيد عادةً باسم "الزركونيا" ( ZrO2 ) و"الإيتريوم" ( _Y2O3 ) _{، ومن هنا} جاءت التسمية.

يخضع ثاني أكسيد الزركونيوم النقي لتحول طوري من أحادي الميل (مستقر في درجة حرارة الغرفة) إلى رباعي الأضلاع (عند حوالي 1173  درجة مئوية) ثم إلى مكعب (عند حوالي 2370  درجة مئوية)، وفقًا للمخطط

أحادي الميل (1173  درجة مئوية) ↔ رباعي الأضلاع (2370  درجة مئوية) ↔ مكعب (2690  درجة مئوية) ↔ مصهور.

خلال هذه التحولات، قد يتعرض الزركونيا لتمدد حجمي يصل إلى 5-6%. ^{[ 1 ]} يمكن أن يؤدي هذا التغير إلى إجهادات داخلية، مما يؤدي إلى تشقق أو كسر في المواد الخزفية . ^{[ 2 ]}

يُعدّ الحصول على منتجات سيراميك الزركونيا المتلبدة المستقرة أمرًا صعبًا نظرًا للتغير الكبير في الحجم، الذي يبلغ حوالي 5%، المصاحب للانتقال من الطور الرباعي إلى الطور أحادي الميل. ويتحقق استقرار الشكل المكعب للزركونيا على نطاق أوسع من درجات الحرارة عن طريق استبدال بعض أيونات Zr⁴⁺ ⁽ نصف قطرها الأيوني 0.82  أنغستروم، وهو صغير جدًا بالنسبة للشبكة البلورية المثالية للفلوريت المميزة للزركونيا المكعبة) في الشبكة البلورية بأيونات أكبر قليلًا، مثل أيونات Y³⁺ ⁽ نصف قطرها الأيوني 0.96  أنغستروم). وتُسمى مواد الزركونيا المُطعّمة الناتجة بالزركونيا المُستقرة . ^{[ 3 ]}

تشمل المواد المرتبطة بـ YSZ الزركونيا المثبتة بالكالسيوم ، أو المغنيسيا ، أو السيريا ، أو الألومينا ، أو الزركونيا المثبتة جزئيًا (PSZ). تتميز الزركونيا المثبتة بالهافنيا بانخفاض موصليتها الحرارية بنسبة 25% تقريبًا ، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتطبيقات العزل الحراري . ^{[ 4 ]}

على الرغم من أن نسبة 8-9 مول % من YSZ معروفة بأنها لا تستقر تمامًا في طور YSZ المكعب النقي حتى درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية. ^{[ 5 ]}  

الاختصارات الشائعة الاستخدام مع الزركونيا المثبتة بالإيتريا هي:

• زركونيا ZrO ₂ مستقرة جزئياً :
  • PSZ – الزركونيا المستقرة جزئيًا
  • TZP – بلورات الزركونيا الرباعية
  • 4YSZ: مع 4  مول% من Y2O3 _{، زركونيا} مثبتة جزئيًا بواسطة _Y2O3 ، زركونيا مثبتة بالإيتريوم
• زركونيا مستقرة تمامًا ZrO ₂ :
  • FSZ – زركونيا مستقرة بالكامل
  • CSZ - زركونيا مكعبة مستقرة
  • 8YSZ – مع 8  مول% من _{Y2O3 مثبت} بالكامل _ZrO2
  • 8YDZ – 8–9  مول% Y ₂ O ₃ -doped ZrO ₂ : المادة غير مستقرة تمامًا وتتحلل عند درجات حرارة التطبيق العالية، انظر الفقرات التالية ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} )

تعتمد معاملات التمدد الحراري على تعديل الزركونيا على النحو التالي:

• أحادي الميل: 7 × 10−6 / ^{K [ 8 ]}
• رباعي الأضلاع: 12 × 10−6 / ^{K [ 8 ]}
• Y ₂ O ₃ مستقر: 10.5 × 10 ⁻⁶ /K ^{[ 8 ]}

بإضافة الإيتريا إلى الزركونيا النقية (مثل YSZ المستقر تمامًا)، تحل أيونات ^{Y³⁺ محل أيونات Zr⁴⁺} في الشبكة الفرعية الكاتيونية. وبذلك، تتولد فراغات الأكسجين نتيجة لتعادل الشحنة: ^{[ 9 ]}

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

بمعنى أن أيوني Y³⁺ ^{يُولِّدان} فراغًا واحدًا في الشبكة الفرعية الأيونية السالبة. وهذا يُسهِّل التوصيلية المعتدلة لأيونات O²⁻ في الزركونيا المُثبَّتة بالإيتريوم ⁽ وبالتالي التوصيلية الكهربائية) عند درجات حرارة مرتفعة. هذه القدرة على توصيل أيونات O²⁻ ^تجعل الزركونيا المُثبَّتة بالإيتريوم مناسبة تمامًا للاستخدام كإلكتروليت صلب في خلايا الوقود الصلبة.

عند تركيزات منخفضة من الشوائب، تزداد الموصلية الأيونية للزركونيا المستقرة مع زيادة _{محتوى Y₂O₃} . وتصل إلى ذروتها عند حوالي 8-9 مول% ، وهي قيمة مستقلة تقريبًا عن درجة الحرارة (800-1200 درجة مئوية). ^{[ 3 ] [ 5 ]} لسوء الحظ، تبين أن YSZ بنسبة 8-9 مول% (8YSZ، 8YDZ) يقع أيضًا في مجال الطورين (c+t) لمخطط طور YSZ عند هذه الدرجات، مما يؤدي إلى تحلل المادة إلى مناطق غنية وفقيرة باليتريوم على مقياس النانومتر، وبالتالي، إلى تدهور كهربائي أثناء التشغيل. ^{[ 6 ]} تترافق التغيرات الميكروية والكيميائية على مقياس النانومتر مع انخفاض حاد في موصلية أيونات الأكسجين لـ 8YSZ (تدهور 8YSZ) بنسبة 40% تقريبًا عند 950 درجة مئوية خلال 2500 ساعة. ^{[ 7 ]} يمكن أن يكون لآثار الشوائب مثل النيكل، المذابة في 8YSZ، على سبيل المثال، بسبب تصنيع خلايا الوقود، تأثير شديد على معدل التحلل (تسريع التحلل الذاتي لـ 8YSZ بمقدار عدة مراتب) بحيث يصبح تدهور الموصلية مشكلة حتى عند درجات حرارة التشغيل المنخفضة في نطاق 500-700 درجة مئوية. ^{[ 10 ]}      

في الوقت الحاضر، تُستخدم مواد خزفية أكثر تعقيدًا مثل الزركونيا المشوبة (على سبيل المثال، مع سكانديا) كإلكتروليتات صلبة.

يُستخدم YSZ في عدد من التطبيقات:

• وذلك لصلابته وخموله الكيميائي (مثل تيجان الأسنان ).
• كمادة حرارية (على سبيل المثال، في محركات الطائرات النفاثة).
• كطبقة عازلة حرارية في التوربينات الغازية .
• باعتبارها مادة خزفية كهربائية نظرًا لخصائصها الموصلة للأيونات (على سبيل المثال، لتحديد محتوى الأكسجين في غازات العادم، وقياس درجة الحموضة في الماء ذي درجة الحرارة العالية، وفي خلايا الوقود).
• يُستخدم أكسيد الزركونيوم المستقر بالإيتريوم (YSZ) في إنتاج خلايا الوقود الصلبة المؤكسدة (SOFC). ويُستخدم كإلكتروليت صلب ، مما يسمح بتوصيل أيونات الأكسجين مع منع التوصيل الإلكتروني. ولتحقيق توصيل أيوني كافٍ، يجب تشغيل خلية الوقود الصلبة المؤكسدة المزودة بإلكتروليت YSZ عند درجات حرارة عالية (800-1000  درجة مئوية). ^{[ 11 ]} على الرغم من أن احتفاظ YSZ بمتانته الميكانيكية عند هذه الدرجات يُعد ميزة، إلا أن ارتفاع درجة الحرارة اللازمة غالبًا ما يُعتبر عيبًا في خلايا الوقود الصلبة المؤكسدة. كما أن الكثافة العالية لـ YSZ ضرورية لفصل الوقود الغازي عن الأكسجين فعليًا، وإلا فلن يُنتج النظام الكهروكيميائي أي طاقة كهربائية. ^{[ 12 ] [ 13 ]}
• بسبب صلابته وخصائصه البصرية في شكل أحادي البلورة (انظر " الزركونيا المكعبة ")، فإنه يستخدم في صناعة المجوهرات.
• كمادة لشفرات السكاكين غير المعدنية ، التي تنتجها شركتا بوكر وكيوسيرا.
• تُستخدم هذه المواد في معاجين مائية لصنع السيراميك والأسمنت منزليًا. تحتوي على ألياف دقيقة مطحونة من زركونيا مستقرة بالإيتريوم (YSZ) أو جزيئات دون الميكرومتر، وغالبًا ما تحتوي على مواد رابطة من سيليكات البوتاسيوم وأسيتات الزركونيوم (عند درجة حموضة حمضية معتدلة). يحدث التصلب عند إزالة الماء. وتكون المادة الخزفية الناتجة مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية جدًا.
• يمكن أن يعمل YSZ المطعّم بمواد العناصر الأرضية النادرة كمادة فسفورية للتصوير الحراري ومادة مضيئة. ^{[ 14 ]}
• كانت تستخدم تاريخياً في صناعة القضبان المتوهجة في مصابيح نيرنست .
• كطلاء عالي الحرارة، من إنتاج شركة ZYP Coatings, Inc.
• كغلاف محاذاة عالي الدقة لحلقات توصيل الألياف الضوئية. ^{[ 15 ]}
• يُعد YSZ طبقة عازلة شائعة للنمو المتناحي للمعادن والأكاسيد على السيليكون. ^{[ 16 ]}

• الزركونيا المكعبة – الشكل البلوري المكعب لثاني أكسيد الزركونيوم 
• التلبيد – عملية تشكيل وربط المواد بالحرارة أو الضغط 
• الأسلاك فائقة التوصيل – أسلاك ذات مقاومة صفرية 

• غرين، دي جيه؛ هانينك، آر؛ سوين، إم في (1989). تقوية السيراميك بالتحول . بوكا راتون: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8493-6594-2.