Miks Yttria stabiliseeritud tsirkooniumoksiid on 2000°C juures traditsioonilisest keraamikast parem kui traditsiooniline tsirkooniumoksiid.

Tänapäeva tööstusprotsessides on vaja materjale, mis suudavad taluda 2000 °C - see on piisavalt kuum, et muuta enamik metalle ja tavalist keraamikat vedelaks. Kuid ütriumiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid paistab teistest välja. See täiustatud keraamika säilitab oma tugevuse ja jõudluse ka sellistes ekstreemsetes tingimustes, mistõttu sobib see ideaalselt kõige olulisemate kõrge temperatuuriga kasutusalade jaoks.

Meie uuringud näitavad, kuidas ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiidist saavad komponendid, mis toimivad mitmel viisil paremini kui tavaline keraamika. Materjali ainulaadne kristallstruktuur ja suurepärane termiline stabiilsus on suured eelised lennunduses, energiatootmises ja täiustatud tootmises. Tutvustame teadust, mis on YSZi silmapaistvate omaduste taga, ja vaatame, kuidas see töötab ekstreemsetes keskkondades.

YSZ kristallstruktuuri mõistmine

Meie analüüs algab ütriumiga stabiliseeritud tsirkooniumi põhilise kristallstruktuuri uurimisega. Need struktuurid on selle erakordse jõudluse aluseks. Materjalil on toatemperatuuril täpse võreparameetriga (a = 5,154630 Å) ja sümmeetriliste nurkadega (α = β = γ = 90°) kuubiline kristallstruktuur.

Kuubilise faasi stabiliseerimise mehhanism

Stabiliseerimisprotsessi juhib tähelepanuväärne aatomi asendusmehhanism. Kuubiline struktuur muutub toatemperatuuril stabiilseks, kui veidi suuremad Y3+ ioonid (0,96 Å) asendavad Zr4+ ioone (ioonraadiusega 0,82 Å). See asendamine loob ainulaadse paigutuse, kus:

• Hapniku aatomid moodustavad kationiliste liikide ümber polüehedrid
• Y3+ ja Zr4+ jagavad spetsiifilisi aatomipositsioone.
• Struktuur säilitab kuubilise fluoriidi geomeetria.

ütriumoksiidi roll

Ftriumioksiidi kontsentratsioon mängib olulist rolli faasi stabiilsuse määramisel. Y2O3 sisaldus üle 7 mol% toob kaasa täieliku kuubilise faasi stabiliseerumise. Sellele vaatamata näitavad meie uuringud optimaalseid tulemusi 8-9 mol% YSZ-i puhul, kuigi see koostis eksisteerib kõrgel temperatuuril kahefaasilises valdkonnas.

Aatomitasandi vastastikmõjud

Täiustatud aatomieraldusvõimega uuringud näitavad põnevat kohaspetsiifilist eraldumiskäitumist. Ftriumi aatomid eralduvad eelistatult konkreetsetesse aatomi kohtadesse terapi piiridel ja moodustavad korrastatud struktuuri ligikaudu 3 nm ulatuses. Aatomi paigutus järgib seda mustrit:

Hapnikuvakantsid soodustavad ioonjuhtivust kõrgel temperatuuril. Need tühimikud tekivad laengu neutraalsuse nõuete tõttu, kui Y3+ asendab Zr4+. Need tühimikud mängivad olulist rolli ka katalüütilises aktiivsuses Mars van Kreveleni mehhanismi kaudu.

See keerukas aatomiarhitektuur loob stabiilse struktuuri, mis säilitab oma terviklikkuse ka äärmuslikes tingimustes. Tasakaal ütriumi kontsentratsiooni ja tühimike moodustumise vahel loob YSZi suurepärased tööomadused.

Soojusnäitajate eelised

Termiline analüüs näitab hämmastavaid toimivusomadusi, mis muudavad ütriumiga stabiliseeritud tsirkooniumi tavalisest keraamikast erinevaks. Tutvustame termilisi omadusi, mis teevad selle materjali kõrge temperatuuriga rakendustes silmapaistvaks.

Faasi stabiilsus 2000°C juures

YSZ-i faasistabiilsus sõltub oluliselt selle mikrostruktuurist, eriti kui teil on erinevad terasuurused. Tetragonaalne faas muutub iseenesest, kui tera suurus ületab 3 mol% Y2O3-ga legeeritud ZrO2 puhul 1 μm. Terade kasvukiirus näitab huvitavaid erinevusi faaside vahel. Kuubiline faas kasvab 30-250 korda kiiremini kui tetragonaalne faas.

Soojusjuhtivuse eelised

ütriumiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid näitab märkimisväärselt madalat soojusjuhtivust, mis muutub mitme teguri alusel:

• Soojusjuhtivus langeb 1,85-lt 1,22 W m-1 K-1 , kui Y2O3 sisaldus tõuseb 0-lt 7,7 mol%-ni.
• Juhtivus jääb peaaegu temperatuurist sõltumatuks kuni 1000°C.
• Hafniaga tahked lahused näitavad umbes 25% võrra madalamat soojusjuhtivust kui standardne 8YSZ-kompositsioon.

Soojusjuhtivus väheneb läbi:

1. Foononide hajumine hapniku tühimike poolt
2. Massihäired katioonide alaruudustikus
3. Struktuurimuutused kõrgetel temperatuuridel

Termilise šoki vastupidavus

Termilise löögikindluse katsed näitavad paremaid tulemusi kui traditsiooniline keraamika. Tihe 8YSZi kriitiline temperatuurierinevus (ΔTc) ulatub 127 °C-ni. See on suur asi, sest see tähendab, et materjal töötab hästi rakendustes, mis vajavad kiireid temperatuurimuutusi.

Järgnevas tabelis on esitatud peamised soojusnäitajad:

Haruldaste muldmetallide lisandid parandavad termilisi omadusi, ilma et see mõjutaks mehaanilist terviklikkust, kui lisandid jäävad alla 10 mol%. Soojusjuhtivus väheneb peaaegu sirgjooneliselt, kui poorsus suureneb.

Suurepärased mehaanilised omadused

Meie uuring ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumi mehaaniliste omaduste kohta näitab märkimisväärseid tugevusomadusi, mis muudavad selle erakordseks materjaliks nõudlike rakenduste jaoks. Katsed näitavad keerulist seost koostise, töötlemise ja toimivuse vahel.

Murdumisvastupidavuse analüüs

Etriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumi purunemiskindlus muutub palju koosseisu järgi. Meie mõõtmised näitavad, et 5YSZi purunemiskindlus suureneb TSS töötlemise abil 3,514-lt 4,034 MPa-m1/2-ni - 14,8% paranemine. 8YSZ näitab veelgi suuremat paranemist, mille väärtused tõusevad 1,491-lt 2,126 MPa-m1/2-le, mis tähendab 42,58% tõusu.

Kõvadus ja kulumiskindlus

Kõvadusomadused näitavad muljetavaldavaid tulemusi erinevate koostiste puhul:

Struktuuriline terviklikkus

Uuringud näitavad, et struktuuriline terviklikkus sõltub peamiselt terade rafineerimise mõjudest. Peenema tera suurus loob:

1. Suuremad tera piirialad
2. Rohkem kumerad tera piirid
3. Tugevam vastupidavus pragude levikule

Suhteline tihedus mängib olulist rolli mehaaniliste omaduste määramisel. TSS-süsteemi tihendamine sõltub temperatuuriparameetritest T1 ja T2 ning T2 mõjutab peamiselt keskmist terasuurust.

YSZ on suurepärase korrosiooni- ja keemilise vastupidavusega, ilma tehnilisele keraamikale omase haprusega. Need ainulaadsed omadused on viimastel aastatel toonud talle hüüdnime "keraamiline teras".

Materjali jõudlusele annab tõuke selle murdumiskindlus, mida me mõõdame kriitilise pingeintensiivsuse teguri (KIC) abil. See omadus koos suure kõvaduse ja kulumiskindlusega muudab selle ideaalseks kasutamiseks rakendustes, mis vajavad erakordset mehaanilist vastupidavust.

Tööstuslikud rakendused

Teadusuuringud ja katsetused on aidanud meil leida mitmeid tööstuslikke rakendusi, kus ütriumiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid näitab erakordset jõudlust. See tähelepanuväärne materjal lahendab kriitilisi probleeme igat liiki tööstusharudes.

Lennundus- ja kosmosevaldkonna komponendid

YSZ osutub suurepäraseks soojusbarjäärikihiks (TBC) kriitiliste mootoriosade puhul lennundusrakendustes. Katsed näitavad, et TBC võib suurendada gaasiturbiini tõukejõu ja kaalu suhet rohkem kui 10% võrra iga 100 °C võrra kõrgema turbiini sisselasketemperatuuri korral. Need katted kaitsevad selliseid elutähtsaid komponente nagu:

• Turbiini labad ja tiivikud
• Põlemiskambrid
• Väljalaskesüsteemid

Energiatootmise süsteemid

YSZ on oluline elektrolüüdi materjal tahkeoksiidkütuseelementides (SOFC), mis on mõeldud elektrienergia tootmiseks. Meie mõõtmised näitavad, et YSZi optimaalne ioonjuhtivus ulatub 1000 °C juures ligikaudu 0,2 S cm-1 . Selline elektrijuhtivus koos vastupidavusega muudab selle ideaalseks pikaajaliseks energiatootmiseks.

Järgnevas tabelis on esitatud peamised rakendused ja nende jõudlusnäitajad:

Täiustatud tootmine

 YSZ-pulber on osutunud edukaks arenenud tootmisprotsessides. Meie analüüs näitab, et YSZ-jahvatusvahend on muutunud oluliseks mitmes tööstusharus:

1. Värvide ja kattematerjalide tootmine
2. Ravimiühendite tootmine
3. Elektrooniliste materjalide töötlemine

YSZ-põhised termotõkkekatted säilitavad oma struktuurilise terviklikkuse pikema aja jooksul. Mõned komponendid töötavad edukalt kuni 30 000 tundi. Selle tulemuseks on suur kulude kokkuhoid ja tõhususe optimeerimine igas suuruses tööstusharudes.

ütriumoksiidistabiliseeritud tsirkooniumoksiidil on täpsuskomponentide valmistamisel suurepärane kulumiskindlus ja minimaalne saastumine. Materjali erakordne termiline stabiilsus temperatuuridel, mis ulatuvad kuni 2680 °C, muudab selle ideaalseks kasutamiseks äärmuslikes keskkondades.

Tulemuslikkuse piirangud

Meie uuringud ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumi võimete kohta näitavad mõningaid kriitilisi piiranguid, mis mõjutavad selle toimivust aja jooksul. Leitud lagunemismehhanismid on keerulised ja vajavad rakenduse kavandamisel hoolikat läbimõtlemist.

Materjali lagunemise mehhanismid

Kõige tavalisemad lagunemismustrid ütriumiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiidiga on Ni aglomeratsioon, Ni eraldumine YSZ-elektrolüüdist ja Ni taasoksüdatsioon. Meie katsed näitavad, et need probleemid tekivad enamasti Ni/YSZ-katoodis kõrge veeauru kontsentratsiooni ja kõrgendatud voolutiheduse tõttu.

Lahustumise/taastamise mehhanism tekitab veel ühe suure väljakutse. Meie analüüs näitab, et see protsess põhjustab:

• Tetragonaalse YSZ-i muundumine monokliinseks tsirkooniumoksiidiks
• Ristuvate pragude järkjärguline areng
• Järkjärguline koorumine termotsükli ajal

Keskkonnategurid

Keskkonnatingimused kujundavad YSZ-i jõudlust oluliselt. CMAS (kaltsium-magneesium-alumiinsilikaadid) läbib YSZ-katete kogu paksuse 1250 °C juures vaid 1 tunniga.

Selles tabelis on esitatud peamised dokumenteeritud keskkonnamõjud:

Operatiivsed piirangud

 Meie katsed näitavad, et YSZ-põhised termotõkkekatted toimivad kõige paremini alla 1200 °C. Süsteem sattus nende piirangute tõttu:

1. Kiire paagutamise kiirus üle selle temperatuuri
2. Kiirendatud lagunemine sulanud CMASi ladestuste poolt
3. Vähenenud termiline stabiilsus pikaajalises kasutuses

Tavapäraste SOFC-de puhul, mis töötavad temperatuuril 800-1000 °C, esineb tõsiseid probleeme vastupidavusega. See temperatuurivahemik kahjustab raku komponente pidevalt.

Karbidiseerumine on suurimaks probleemiks kütuserikastes tingimustes ja see muudab püsivalt elektrijuhtivuse omadusi. See probleem on suurim puhaste gaaside, nagu CH4 ja CO puhul, kuid jääb probleemiks ka kütusegude puhul, mis sisaldavad H2O ja CO2.

Elektrolüütide pikemaajalise kasutusea pikendamine on endiselt suur väljakutse. Meie andmed näitavad, et 8YSZ-kompositsioonid juhivad ioone palju vähem tõhusalt kui 9,5YSZ ja 10YSZ rakendatud elektrilise potentsiaali korral. Y2O3 dopingukontsentratsioonid üle 8 mol% võivad teatud töötingimustes stabiilsuse saavutamiseks paremini toimida.

Kokkuvõte

Meie üksikasjalik analüüs näitab, et ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid paistab silma äärmuslikel temperatuuridel, kuigi selle piirangud vajavad rakendamisel hoolikat läbimõtlemist.

YSZi silmapaistvad omadused tulenevad selle ainulaadsest kuubilisest kristallstruktuurist, mille ta saab tänu täpsele Y3+ ioonide asendamisele. See põhistruktuur aitab tal püsida stabiilsena 2000 °C juures ning tagab parema purunemiskindluse ja kulumiskindluse.

YSZ-i praktilist kasutust leiad kriitilistes sektorites, eriti kui tegemist on lennunduslike komponentide ja energiatootmissüsteemidega. Selle termotõkkekatted suurendavad oluliselt gaasiturbiinide tõhusust. Tänu YSZi optimaalsele ioonjuhtivusele kõrgetel temperatuuridel töötavad ka tahkeoksiidkütuseelemendid paremini.

Sellele vaatamata leidsime mõned peamised jõudluspiirangud. CMAS-i infiltratsioon, karbidiseerumine kütuserikastes tingimustes ja lagunemismehhanismid, nagu Ni aglomeratsioon, tekitavad tõelisi probleeme. Need probleemid ilmnevad tavaliselt üle 1200 °C ja mõjutavad materjali vastupidavust ja tõhusust aja jooksul.

ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid on endiselt võrratu ekstreemsete temperatuuride rakenduste puhul. See materjal teab, kuidas säilitada oma struktuurilist terviklikkust karmides tingimustes. See asjaolu koos selle mitmekülgsusega tööstuslikes rakendustes muudab selle oluliseks kaasaegsete kõrgtemperatuuriliste insenerilahenduste jaoks.

KKK

Q1. Miks on ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid kõrge temperatuuriga rakendustes? Ottriumi lisatakse tsirkooniumoksiidile, et stabiliseerida selle kuubilist kristallstruktuuri toatemperatuuril. See stabiliseerimine parandab tsirkooniumi termilist stabiilsust, mehaanilisi omadusi ja toimivust äärmuslikel temperatuuridel kuni 2000 °C, mis muudab selle ideaalseks kasutamiseks lennunduses ja energiatootmises.

Q2. Millised on ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumi (YSZ) peamised eelised traditsioonilise keraamika ees? ütriumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid on traditsioonilisest keraamikast parem.