Kāpēc itrijas stabilizēts cirkonija oksīds ir labāks par tradicionālo keramiku 2000°C temperatūrā

Mūsdienu rūpnieciskajos procesos ir nepieciešami materiāli, kas spēj izturēt temperatūru līdz 2000°C - pietiekami karstu, lai lielākā daļa metālu un parastās keramikas pārvērstos šķidrā veidā. Bet itrija stabilizēts cirkonijs izceļas starp pārējiem. Šī progresīvā keramika saglabā savu izturību un veiktspēju pat šādos ekstrēmos apstākļos, tāpēc tā ir ideāli piemērota vissvarīgākajiem izmantošanas veidiem, kas saistīti ar augstām temperatūrām.

Mūsu pētījumi parāda, kā itrijas stabilizēts cirkonijs kļūst par sastāvdaļām, kas daudzējādā ziņā darbojas labāk nekā parastā keramika. Šī materiāla unikālā kristāliskā struktūra un lieliskā termiskā stabilitāte ir lielas priekšrocības kosmosa, enerģijas ražošanas un modernās ražošanas nozarēs. Iepazīsim zinātnisko pamatojumu YSZ izcilajai veiktspējai un redzēsim, kā tas darbojas ekstrēmās vidēs.

Izpratne par YSZ kristālstruktūru

Mūsu analīze sākas ar itrija stabilizēta cirkonija kristāliskās struktūras izpēti. Šīs struktūras ir tā izcilo darbības īpašību pamatā. Materiālam ir kubiska kristāliskā struktūra ar precīziem režģa parametriem (a = 5,154630 Å) un simetriskiem leņķiem (α = β = γ = 90°) istabas temperatūrā.

Kubiskās fāzes stabilizācijas mehānisms

Stabilizācijas procesu virza ievērojams atomu aizvietošanas mehānisms. Kubiskā struktūra kļūst stabila istabas temperatūrā, kad nedaudz lielāki Y3+ joni (0,96 Å) aizstāj Zr4+ jonus (ar jonu rādiusu 0,82 Å). Šī aizvietošana rada unikālu sakārtojumu, kurā:

• Skābekļa atomi veido daudzstūrus ap katjonu sugām
• Y3+ un Zr4+ ir kopīgas konkrētas atomu pozīcijas
• Struktūra saglabā kubisko fluorīta ģeometriju

Itrija oksīda loma

Itrija oksīda koncentrācijai ir būtiska nozīme fāžu stabilitātes noteikšanā. Ja Y2O3 saturs pārsniedz 7 mol%, notiek pilnīga kubiskās fāzes stabilizācija. Neraugoties uz to, mūsu pētījumi liecina par optimālu veiktspēju pie 8-9 mol% YSZ, lai gan šis sastāvs paaugstinātās temperatūrās pastāv divfāžu laukā.

Atomu līmeņa mijiedarbība

Uzlabotie atomu izšķirtspējas pētījumi atklāj aizraujošu, vietai specifisku segregācijas uzvedību. Itrija atomi uzrāda preferenciālu segregāciju uz konkrētām atomu vietām pie graudu robežām un veido sakārtotu struktūru aptuveni 3 nm robežās. Atomu izvietojums atbilst šim modelim:

Skābekļa vakances veicina jonu vadītspēju paaugstinātā temperatūrā. Šīs vakances rodas lādiņa neitralitātes prasību dēļ, kad Y3+ aizstāj Zr4+. Šīm vakancēm ir būtiska nozīme arī katalītiskajā aktivitātē, izmantojot Marsa van Krevelena mehānismu.

Šī sarežģītā atomu arhitektūra veido stabilu struktūru, kas saglabā savu integritāti ekstremālos apstākļos. Līdzsvars starp itrija koncentrāciju un vakanču veidošanos veido YSZ izcilās veiktspējas īpašības.

Siltuma veiktspējas priekšrocības

Termiskā analīze liecina par pārsteidzošām veiktspējas īpašībām, kas padara itrija stabilizētu cirkoniju atšķirīgu no parastās keramikas. Apskatīsim termiskās īpašības, kas padara šo materiālu izcilāko augstas temperatūras lietojumos.

Fāžu stabilitāte 2000°C temperatūrā

YSZ fāžu stabilitāte ir būtiski atkarīga no tā mikrostruktūras, jo īpaši, ja ir dažāda lieluma graudi. Tetragonālā fāze mainās pati no sevis, kad graudu izmērs pārsniedz 1 μm, ja 3 mol% Y2O3 ir ZrO2 piejaukums. Graudu augšanas ātrums uzrāda interesantas variācijas starp fāzēm. Kubiskā fāze aug 30-250 reižu ātrāk nekā tetragonālā fāze.

Siltumvadītspējas priekšrocības

itrija stabilizētam cirkonijam piemīt ārkārtīgi zema siltumvadītspēja, kas mainās atkarībā no vairākiem faktoriem:

• Siltumvadītspēja samazinās no 1,85 līdz 1,22 W m-1 K-1, jo Y2O3 saturs palielinās no 0 līdz 7,7 mol%.
• Elektrovadītspēja ir gandrīz neatkarīga no temperatūras līdz pat 1000°C.
• Cietie šķīdumi ar hafniju uzrāda aptuveni 25% zemāku siltumvadītspēju nekā standarta 8YSZ kompozīcijas.

Siltumvadītspēja samazinās caur:

1. Fononu izkliedēšana ar skābekļa vakancēm
2. Katjonu subrežģa masas traucējumi
3. Strukturālās modifikācijas augstā temperatūrā

Izturība pret termisko triecienu

Termiski triecienizturības testi uzrāda labāku veiktspēju nekā tradicionālā keramika. Blīvās 8YSZ kritiskā temperatūras starpība (ΔTc) sasniedz 127 °C. Tas ir ļoti svarīgi, jo tas nozīmē, ka materiāls labi darbojas lietojumos, kur nepieciešamas ātras temperatūras izmaiņas.

Turpmākajā tabulā ir norādīti galvenie siltuma veiktspējas rādītāji:

Retzemju elementu piedevas uzlabo termiskās īpašības, neietekmējot mehānisko integritāti, ja vien piedevas nepārsniedz 10 mol%. Siltumvadītspēja samazinās gandrīz pa taisni, palielinoties porainībai.

Izcilas mehāniskās īpašības

Mūsu veiktais itrija stabilizēta cirkonija mehānisko īpašību pētījums liecina par ievērojamām stiprības īpašībām, kas padara to par izcilu materiālu sarežģītiem lietojumiem. Testēšana atklāj sarežģītu saistību starp sastāvu, apstrādi un veiktspēju.

Lūzuma izturības analīze

Itrija stabilizēta cirkonija lūzuma stingrība ļoti mainās atkarībā no sastāva. Mūsu mērījumi liecina, ka 5YSZ lūzuma stingrība, izmantojot TSS apstrādi, palielinās no 3,514 līdz 4,034 MPa-m1/2 - uzlabojums ir 14,8%. 8YSZ uzrāda vēl lielāku uzlabojumu, jo vērtība pieaug no 1,491 līdz 2,126 MPa-m1/2, kas ir 42,58% pieaugums.

Cietība un nodilumizturība

Cietības īpašības uzrāda iespaidīgus rezultātus dažādos sastāvos:

Strukturālā integritāte

Pētījumi liecina, ka strukturālā integritāte galvenokārt ir atkarīga no graudu rafinētības ietekmes. Smalkāks graudu izmērs rada:

1. Lielāki graudu robežu apgabali
2. Vairāk izliektas graudu robežas
3. Lielāka izturība pret plaisu izplatīšanos

Relatīvajam blīvumam ir būtiska nozīme mehānisko īpašību noteikšanā. TSS sistēmas blīvums ir atkarīgs no temperatūras parametriem T1 un T2, un T2 galvenokārt ietekmē vidējo graudu lielumu.

YSZ piemīt lieliska izturība pret koroziju un ķīmisko iedarbību, taču bez tehniskajai keramikai raksturīgās trauslumainības. Pateicoties šīm unikālajām īpašībām, pēdējos gados tā ir ieguvusi "keramikas tērauda" iesauku.

Materiāla veiktspēju uzlabo tā izturība pret lūzumiem, ko mēra, izmantojot kritiskās sprieguma intensitātes koeficientu, ko sauc par KIC. Šī īpašība apvienojumā ar augstu cietību un nodilumizturību padara šo materiālu ideāli piemērotu lietojumiem, kam nepieciešama īpaša mehāniskā izturība.

Rūpnieciskie lietojumi

Pētījumi un testēšana ir palīdzējuši mums atrast daudzus rūpnieciskos lietojumus, kur itrija stabilizētais cirkonijs uzrāda izcilu veiktspēju. Šis ievērojamais materiāls atrisina kritiskas problēmas visu veidu nozarēs.

Aviācijas un kosmosa komponenti

YSZ ir lielisks termiski barjerveida pārklājums (TBC) kritiski svarīgiem dzinēju komponentiem kosmiskās aviācijas lietojumos. TBC testi liecina, ka TBC var palielināt gāzturbīnas vilces un svara attiecību par vairāk nekā 10% uz katriem 100°C, palielinot turbīnas ieplūdes temperatūru. Šie pārklājumi aizsargā tādus svarīgus komponentus kā:

• Turbīnu lāpstiņas un lāpstiņas
• Sadegšanas kameras
• Izplūdes sistēmas

Enerģijas ražošanas sistēmas

YSZ kalpo kā būtisks elektrolīta materiāls cietā oksīda kurināmā elementos (SOFC) enerģijas ražošanai. Mūsu mērījumi liecina, ka YSZ optimālā jonu vadītspēja sasniedz aptuveni 0,2 S cm-1 pie 1000 °C. Šī vadītspēja kopā ar izturību padara to ideāli piemērotu ilgtermiņa enerģijas ražošanas operācijām.

Turpmākajā tabulā ilustrētas galvenās lietojumprogrammas un to veiktspējas rādītāji:

Uzlabotā ražošana

 YSZ pulveris ir veiksmīgi izmantots progresīvos ražošanas procesos. Mūsu analīze liecina, ka YSZ slīpripas ir kļuvušas būtiskas vairākās nozarēs:

1. Krāsu un pārklājumu ražošana
2. Farmaceitisko savienojumu ražošana
3. Elektronisko materiālu apstrāde

Uz YSZ bāzes izgatavoti termiski barjeras pārklājumi saglabā strukturālo integritāti ilgāku laiku. Daži komponenti veiksmīgi darbojas līdz pat 30 000 stundu. Tas ļauj ievērojami ietaupīt izmaksas un optimizēt efektivitāti dažāda lieluma nozarēs.

itrijas stabilizēts cirkonijs uzrāda izcilu nodilumizturību un minimālu piesārņojumu, ražojot precīzijas komponentus. Materiāla ārkārtējā termiskā stabilitāte temperatūrā, kas sasniedz 2680 °C, padara to ideāli piemērotu ekstrēmās vides lietojumiem.

Veiktspējas ierobežojumi

Mūsu veiktie pētījumi par itrija stabilizēta cirkonija iespējām liecina par dažiem būtiskiem ierobežojumiem, kas ietekmē tā veiktspēju laika gaitā. Mūsu atklātie degradācijas mehānismi ir sarežģīti, un, izstrādājot lietojumu, tie ir rūpīgi jāpārdomā.

Materiālu noārdīšanās mehānismi

Itrija stabilizētā cirkonija visbiežāk sastopamie degradācijas modeļi ir Ni aglomerācija, Ni atdalīšana no YSZ elektrolīta un Ni reoksidācija. Mūsu veiktie testi liecina, ka šīs problēmas galvenokārt rodas Ni/YSZ katodā augstas ūdens tvaiku koncentrācijas un paaugstināta strāvas blīvuma dēļ.

Izšķīdināšanas/recipitācijas mehānisms rada vēl vienu lielu izaicinājumu. Mūsu analīze liecina, ka šis process izraisa:

• Tetragonālā YSZ transformācija monoklīniskā cirkonijā
• Pakāpeniska krustošanās plaisu attīstība
• Pakāpeniska noslāņošanās termiskās cikliskās cikliskās ekspluatācijas laikā

Vides faktori

Vides apstākļi būtiski ietekmē YSZ veiktspēju. CMAS (kalcija-magnija-alumīnija-alumīnija silikāti) 1250 °C temperatūrā tikai 1 stundas laikā iekļūst visā YSZ pārklājumu biezumā.

Šajā tabulā ir norādīta galvenā dokumentētā ietekme uz vidi:

Darbības ierobežojumi

 Mūsu veiktie testi liecina, ka uz YSZ bāzes veidoti termiskās barjeras pārklājumi vislabāk darbojas temperatūrā, kas zemāka par 1200 °C. Sistēmai šie ierobežojumi tika noteikti šādu iemeslu dēļ:

1. Ātra saķepināšanas ātrums virs šīs temperatūras
2. Paātrināta noārdīšanās ar izkausētām CMAS nogulsnēm
3. Samazināta termiskā stabilitāte ilgstošā darbībā

Parastie SOFC, kas darbojas temperatūrā no 800 līdz 1000°C, saskaras ar nopietnām izturības problēmām. Šis temperatūras diapazons pastāvīgi bojā elementu sastāvdaļas.

Karbidizācija ir lielākā problēma ar degvielu bagātos apstākļos, un tā neatgriezeniski maina vadītspējas īpašības. Šī problēma ir vislielākā tīrās gāzēs, piemēram, CH4 un CO, bet tā joprojām ir aktuāla pat degvielas gāzu maisījumos ar H2O un CO2.

Liels izaicinājums joprojām ir elektrolīta ilgāka darbības ilguma nodrošināšana. Mūsu dati rāda, ka 8YSZ kompozīcijas pieliktā elektriskā potenciāla jonus vada daudz mazāk efektīvi nekā 9,5YSZ un 10YSZ. Y2O3 dopinga koncentrācijas virs 8 mol% varētu labāk nodrošināt stabilitāti noteiktos ekspluatācijas apstākļos.

Secinājums

Mūsu detalizētā analīze liecina, ka itrija stabilizēts cirkonija oksīds izceļas ekstrēmās temperatūrās, lai gan tā ierobežojumi ir rūpīgi jāpārdomā, tos ieviešot.

YSZ izcilo veiktspēju nodrošina tā unikālā kubiskā kristāliskā struktūra, ko tas iegūst, precīzi aizstājot Y3+ jonus. Šī pamatstruktūra palīdz saglabāt stabilitāti 2000 °C temperatūrā un nodrošina uzlabotu lūzuma izturību un nodilumizturību.

YSZ praktisku pielietojumu jūs atradīsiet kritiskās nozarēs, jo īpaši, ja runa ir par kosmosa komponentiem un enerģijas ražošanas sistēmām. Tās termiskās barjeras pārklājumi būtiski palielina gāzturbīnu efektivitāti. Pateicoties YSZ optimālajai jonu vadītspējai augstā temperatūrā, labāk darbojas arī cietā oksīda degvielas elementi.

Neskatoties uz to, mēs atklājām dažus galvenos veiktspējas ierobežojumus. CMAS infiltrācija, karbidizācija ar degvielu bagātos apstākļos un tādi sadalīšanās mehānismi kā Ni aglomerācija rada reālas problēmas. Šīs problēmas parasti parādās virs 1200 °C un ietekmē materiāla izturību un efektivitāti laika gaitā.

itrijas stabilizēts cirkonija oksīds joprojām ir nepārspēts ekstrēmās temperatūrās. Šis materiāls zina, kā saglabāt strukturālo integritāti skarbos apstākļos. Šis fakts apvienojumā ar tā daudzpusību rūpnieciskajos lietojumos padara to par būtisku mūsdienu augsttemperatūras inženiertehniskajos risinājumos.

Biežāk uzdotie jautājumi

Q1. Kāpēc itrija stabilizēts cirkonijs tiek izmantots augsttemperatūras lietojumos? Itriju pievieno cirkonijam, lai stabilizētu tā kubisko kristālisko struktūru istabas temperatūrā. Šī stabilizācija uzlabo cirkonija termisko stabilitāti, mehāniskās īpašības un veiktspēju ekstremālās temperatūrās līdz pat 2000 °C, padarot to ideāli piemērotu izmantošanai kosmosā un enerģētikā.

Q2. Kādas ir itrija stabilizētā cirkonija (YSZ) galvenās priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālo keramiku? itrija stabilizētais cirkonijs pārspēj tradicionālo keramiku.