Kodėl 2000 °C temperatūroje itrija stabilizuotas cirkonis pranoksta tradicinę keramiką

Šiuolaikiniuose pramoniniuose procesuose reikalingos medžiagos, galinčios atlaikyti 2000 °C temperatūrą - pakankamai karštą, kad dauguma metalų ir įprastos keramikos virstų skysčiu. Tačiau itrija stabilizuotas cirkonis išsiskiria iš kitų. Ši pažangi keramika net tokiomis ekstremaliomis sąlygomis išlaiko savo tvirtumą ir eksploatacines savybes, todėl puikiai tinka svarbiausiems aukštatemperatūriams tikslams.

Mūsų tyrimai rodo, kaip itrija stabilizuotas cirkonis tampa komponentais, kurie daugeliu atžvilgių veikia geriau nei įprasta keramika. Unikali medžiagos kristalinė struktūra ir puikus terminis stabilumas yra dideli privalumai aviacijos, energetikos ir pažangiosios gamybos srityse. Įsigilinkime į YSZ išskirtinių savybių mokslinius pagrindus ir pažiūrėkime, kaip ji veikia ekstremalioje aplinkoje.

YSZ kristalinės struktūros supratimas

Analizę pradedame nuo pagrindinės itriu stabilizuoto cirkonio kristalinės struktūros tyrimo. Šios struktūros yra jo išskirtinių eksploatacinių savybių pagrindas. Medžiaga pasižymi kubine kristaline struktūra su tiksliais gardelės parametrais (a = 5,154630 Å) ir simetriniais kampais (α = β = γ = 90°) kambario temperatūroje.

Kubinės fazės stabilizavimo mechanizmas

Stabilizacijos procesą lemia nepaprastas atomų pakeitimo mechanizmas. Kubinė struktūra tampa stabili kambario temperatūroje, kai šiek tiek didesni Y3+ jonai (0,96 Å) pakeičia Zr4+ jonus (kurių jonų spindulys 0,82 Å). Šis pakeitimas sukuria unikalų išsidėstymą, kuriame:

• Deguonies atomai aplink katijonines medžiagas sudaro daugiasluoksnius elementus
• Y3+ ir Zr4+ dalijasi tam tikromis atomų padėtimis
• Struktūra išlaiko kubinę fluorito geometriją

Itrio oksido vaidmuo

Itrio oksido koncentracija yra labai svarbi nustatant fazės stabilumą. Y2O3 kiekis, viršijantis 7 mol%, visiškai stabilizuoja kubinę fazę. Nepaisant to, mūsų tyrimai rodo, kad optimalus našumas yra esant 8-9 mol% YSZ, nors ši sudėtis egzistuoja dviejų fazių lauke esant aukštai temperatūrai.

Atominio lygmens sąveika

Pažangūs atominės skiriamosios gebos tyrimai atskleidė įdomų specifinės vietos segregacijos elgesį. Itrio atomai pirmenybę teikia segregacijai į tam tikras atomines vietas ties grūdelių ribomis ir sudaro tvarkingą struktūrą per maždaug 3 nm. Atomų išsidėstymas atitinka šį modelį:

Deguonies vakansijos didina joninį laidumą aukštoje temperatūroje. Šios vakansijos atsiranda dėl krūvio neutralumo reikalavimų, kai Y3+ pakeičia Zr4+. Šios vakansijos taip pat atlieka svarbų vaidmenį kataliziniame aktyvume pagal Marso van Kreveleno mechanizmą.

Ši sudėtinga atomų architektūra sukuria stabilią struktūrą, kuri išlaiko vientisumą ekstremaliomis sąlygomis. Dėl itrio koncentracijos ir vakansijų susidarymo pusiausvyros YSZ pasižymi puikiomis eksploatacinėmis savybėmis.

Šiluminių savybių privalumai

Terminė analizė rodo nuostabias eksploatacines savybes, dėl kurių itrija stabilizuotas cirkonis skiriasi nuo įprastos keramikos. Panagrinėkime termines savybes, dėl kurių ši medžiaga išsiskiria aukštoje temperatūroje.

Fazių stabilumas 2000 °C temperatūroje

YSZ fazių stabilumas labai priklauso nuo mikrostruktūros, ypač kai yra skirtingo dydžio grūdelių. Tetragoninė fazė pasikeičia savaime, kai grūdelių dydis viršija 1 μm, kai 3 mol% Y2O3 legiruotas ZrO2. Grūdelių augimo greitis rodo įdomius skirtumus tarp fazių. Kubinė fazė auga 30-250 kartų greičiau nei tetragoninė fazė.

Šiluminio laidumo privalumai

itrija stabilizuotas cirkonis pasižymi nepaprastai mažu šilumos laidumu, kuris kinta priklausomai nuo kelių veiksnių:

• Šilumos laidumas mažėja nuo 1,85 iki 1,22 W m-1 K-1, kai Y2O3 kiekis didėja nuo 0 iki 7,7 mol%
• Laidumas beveik nepriklauso nuo temperatūros iki 1000 °C
• Kietieji tirpalai su hafnija pasižymi maždaug 25% mažesniu šilumos laidumu nei standartinės 8YSZ kompozicijos

Šilumos laidumas sumažėja dėl:

1. Fononų sklaida deguonies vakansijose
2. Katijonų subplokštelės masės netvarka
3. Struktūriniai pokyčiai aukštoje temperatūroje

Atsparumas šiluminiam smūgiui

Atlikus atsparumo terminiam smūgiui bandymus paaiškėjo, kad atsparumas yra geresnis nei tradicinės keramikos. Tankios 8YSZ kritinis temperatūrų skirtumas (ΔTc) siekia 127 °C. Tai labai svarbu, nes tai reiškia, kad ši medžiaga gerai veikia tose srityse, kuriose reikia greitai keisti temperatūrą.

Toliau pateiktoje lentelėje nurodyti pagrindiniai šiluminės veiklos rodikliai:

Retųjų žemių elementų priedai pagerina šilumines savybes nedarydami poveikio mechaniniam vientisumui, jei priedų kiekis neviršija 10 mol%. Šilumos laidumas mažėja beveik tiesia linija didėjant akytumui.

Puikios mechaninės savybės

Mūsų atliktas itrija stabilizuotos cirkonio oksido medžiagos mechaninių savybių tyrimas rodo, kad ji pasižymi išskirtinėmis stiprumo savybėmis, todėl yra išskirtinė medžiaga, tinkanti sudėtingoms reikmėms. Bandymai atskleidžia sudėtingą ryšį tarp sudėties, apdorojimo ir eksploatacinių savybių.

Lūžio atsparumo analizė

Itrija stabilizuoto cirkonio oksido atsparumas lūžiams labai kinta priklausomai nuo sudėties. Mūsų atlikti matavimai rodo, kad 5YSZ lūžio kietumas apdorojant TSS padidėja nuo 3,514 iki 4,034 MPa-m1/2, t. y. pagerėja 14,8%. 8YSZ rodiklis pagerėjo dar labiau: jo vertė padidėjo nuo 1,491 iki 2,126 MPa-m1/2, t. y. 42,58%.

Kietumas ir atsparumas dilimui

Kietumo savybės rodo įspūdingus rezultatus įvairiose sudėtyse:

Struktūrinis vientisumas

Tyrimai rodo, kad struktūrinis vientisumas daugiausia priklauso nuo grūdelių išgryninimo poveikio. Smulkesnių grūdelių dydis sukuria:

1. Didesni grūdų ribos plotai
2. Labiau išlenktos grūdelių ribos
3. Didesnis atsparumas įtrūkimų plitimui

Santykinis tankis yra labai svarbus nustatant mechanines savybes. TSS sistemos tankis priklauso nuo temperatūros parametrų T1 ir T2, o T2 daugiausia įtakos turi vidutiniam grūdelių dydžiui.

YSZ pasižymi puikiu atsparumu korozijai ir cheminėms medžiagoms, tačiau neturi techninei keramikai būdingo trapumo. Dėl šių unikalių savybių per pastaruosius kelerius metus ji pelnė "keraminio plieno" pravardę.

Medžiagos eksploatacines savybes didina jos atsparumas lūžiams, kurį matuojame naudodami kritinio įtempio intensyvumo koeficientą, vadinamą KIC. Ši savybė kartu su dideliu kietumu ir atsparumu dilimui puikiai tinka toms reikmėms, kurioms reikia išskirtinio mechaninio patvarumo.

Pramoniniai taikymai

Tyrimai ir bandymai padėjo mums rasti daugybę pramoninio pritaikymo sričių, kuriose itrija stabilizuotas cirkonis pasižymi išskirtinėmis savybėmis. Ši nepaprasta medžiaga padeda spręsti svarbiausius uždavinius visų rūšių pramonėje.

Aviacijos ir kosmoso komponentai

YSZ puikiai tinka kaip terminio barjero danga (TBC), skirta svarbiausiems variklių komponentams, naudojamiems aviacijos ir kosmoso pramonėje. Bandymai rodo, kad TBC gali padidinti dujų turbinos traukos ir svorio santykį daugiau nei 10%, jei turbinos įėjimo temperatūra padidėja 100 °C. Šios dangos apsaugo gyvybiškai svarbius komponentus, pvz:

• Turbinos mentės ir mentės
• Degimo kameros
• Išmetimo sistemos

Energijos gamybos sistemos

YSZ yra pagrindinė elektrolito medžiaga kietųjų oksidų kuro elementuose (SOFC), skirtuose elektros energijos gamybai. Mūsų atlikti matavimai rodo, kad optimalus YSZ joninis laidumas 1000 °C temperatūroje siekia maždaug 0,2 S cm-1. Dėl tokio laidumo ir ilgaamžiškumo jis puikiai tinka ilgalaikiam energijos gamybos procesui.

Toliau pateiktoje lentelėje parodytos pagrindinės programos ir jų našumo rodikliai:

Pažangi gamyba

 YSZ milteliai sėkmingai naudojami pažangiuose gamybos procesuose. Mūsų atlikta analizė rodo, kad YSZ šlifavimo terpė tapo labai svarbi keliose pramonės šakose:

1. Dažų ir dangų gamyba
2. Farmacijos mišinių gamyba
3. Elektroninių medžiagų apdorojimas

YSZ pagrindu pagamintos termoizoliacinės dangos ilgą laiką išlaiko savo struktūrinį vientisumą. Kai kurie komponentai sėkmingai veikia iki 30 000 valandų. Dėl to sutaupoma daug lėšų ir optimizuojamas visų dydžių pramonės šakų efektyvumas.

yttria stabilizuotas cirkonis pasižymi puikiu atsparumu dilimui ir minimaliu užterštumu gaminant tiksliuosius komponentus. Išskirtinis medžiagos terminis stabilumas, kai temperatūra siekia 2680 °C, leidžia ją puikiai naudoti ekstremalioje aplinkoje.

Veikimo apribojimai

Mūsų atliktas itriu stabilizuoto cirkonio oksido galimybių tyrimas parodė keletą esminių apribojimų, kurie turi įtakos jo veikimui laikui bėgant. Nustatyti skilimo mechanizmai yra sudėtingi ir juos reikia atidžiai apgalvoti projektuojant taikymą.

Medžiagos irimo mechanizmai

Dažniausiai pasitaikantys itriu stabilizuoto cirkonio oksido skilimo modeliai yra Ni aglomeracija, Ni atsiskyrimas nuo YSZ elektrolito ir Ni reoksidacija. Mūsų bandymai rodo, kad šios problemos dažniausiai kyla Ni/YSZ katode dėl didelės vandens garų koncentracijos ir padidėjusio srovės tankio.

Kitas didelis iššūkis yra tirpinimo ir (arba) nusodinimo mechanizmas. Mūsų analizė rodo, kad šis procesas sukelia:

• Tetragoninio YSZ transformacija į monoklininį cirkonį
• Laipsniškas kryžminių įtrūkimų vystymasis
• Laipsniškas atsisluoksniavimas terminio ciklo metu

Aplinkos veiksniai

Aplinkos sąlygos smarkiai lemia YSZ eksploatacines savybes. CMAS (kalcio-magnio-aliuminio silikatai) įsiskverbia į visą YSZ dangų storį 1250 °C temperatūroje vos per 1 valandą.

Šioje lentelėje pateikiame pagrindinius dokumentuose užfiksuotus poveikius aplinkai:

Veiklos apribojimai

 Mūsų bandymai rodo, kad YSZ pagrindu pagamintos terminio barjero dangos geriausiai veikia žemesnėje nei 1200 °C temperatūroje. Šie apribojimai sistemai atsirado dėl šių priežasčių:

1. Spartus sukepinimo greitis, viršijantis šią temperatūrą
2. Spartesnis skilimas dėl išlydytų CMAS nuosėdų
3. Sumažėjęs šiluminis stabilumas ilgalaikės veiklos metu

Įprastiniai SOFC, veikiantys 800-1000 °C temperatūroje, susiduria su rimtomis ilgaamžiškumo problemomis. Šis temperatūros diapazonas nuolat pažeidžia elementų komponentus.

Didžiausia problema yra karbidizacija, kuri nuolat keičia laidumo savybes, kai yra daug degalų. Ši problema didžiausia grynose dujose, pavyzdžiui, CH4 ir CO, tačiau ji išlieka aktuali net ir kuro dujų mišiniuose su H2O ir CO2.

Didžiausias iššūkis tebėra užtikrinti ilgesnį elektrolito veikimą. Mūsų duomenys rodo, kad 8YSZ kompozicijos jonus praleidžia daug mažiau efektyviai nei 9,5YSZ ir 10YSZ, veikiant elektriniam potencialui. Didesnės nei 8 mol% Y2O3 dopingo koncentracijos gali geriau užtikrinti stabilumą tam tikromis darbo sąlygomis.

Išvada

Mūsų išsami analizė rodo, kad itriu stabilizuotas cirkonis puikiai tinka naudoti ekstremaliose temperatūrose, nors jo apribojimus reikia atidžiai apgalvoti.

YSZ išskirtines savybes lemia unikali kubinė kristalinė struktūra, kuri gaunama tiksliai pakeičiant Y3+ jonais. Ši pagrindinė struktūra padeda išlaikyti stabilumą 2000 °C temperatūroje ir užtikrina didesnį atsparumą lūžiams bei dilimui.

YSZ praktiškai galima naudoti kritiniuose sektoriuose, ypač kai tai susiję su aviacijos ir kosmoso komponentais ir energijos gamybos sistemomis. Jos terminio barjero dangos gerokai padidina dujų turbinų efektyvumą. Dėl optimalaus YSZ joninio laidumo aukštoje temperatūroje geriau veikia ir kietojo oksido kuro elementai.

Nepaisant to, nustatėme keletą pagrindinių našumo apribojimų. CMAS infiltracija, karbidizacija degalų gausos sąlygomis ir tokie gedimo mechanizmai kaip Ni aglomeracija sukuria tikrus iššūkius. Šios problemos paprastai išryškėja aukštesnėje nei 1200 °C temperatūroje ir daro įtaką medžiagos ilgaamžiškumui bei efektyvumui laikui bėgant.

itrija stabilizuotas cirkonis vis dar yra neprilygstamas ekstremalioms temperatūroms. Ši medžiaga žino, kaip išlaikyti savo struktūrinį vientisumą atšiauriomis sąlygomis. Šis faktas kartu su jos universalumu pramonėje daro ją labai svarbią šiuolaikiniams aukštos temperatūros inžineriniams sprendimams.

DUK

Q1. Kodėl itrija stabilizuotas cirkonis naudojamas aukštatemperatūrėse srityse? Itrio į cirkonį dedama siekiant stabilizuoti jo kubinę kristalinę struktūrą kambario temperatūroje. Šis stabilizavimas pagerina cirkonio šiluminį stabilumą, mechanines savybes ir eksploatacines savybes ekstremalioje temperatūroje iki 2000 °C, todėl jis idealiai tinka kosminėje erdvėje ir energetikoje.

Q2. Kokie yra pagrindiniai itrio stabilizuotos cirkonio oksido (YSZ) privalumai, palyginti su tradicine keramika? itrio stabilizuotas cirkonis pranoksta tradicinę keramiką.