钇稳定氧化锆
钇稳定氧化锆 (英文:Yttria-stabilized zirconia, YSZ) 是一种陶瓷材料，借由添加氧化钇改变二氧化锆的相变态温度范围，产生室温下稳定的立方晶体及四方晶体。
机制
纯氧化锆在室温为单斜晶相，温度上升至约1173℃时会转变成四方晶相，上升至2370℃时则转换成立方晶相，于2690℃变成液相。
单斜晶相(相变态温度:1173 °C)四方晶相(相变态温度:2370 °C)立方晶相(熔点/凝固点:2690 °C)液体
纯氧化锆从高温冷却至室温，经过相变态温度时正方晶转换成单斜晶，因其体积剧烈改变，造成烧结后的成品含有微裂缝，往往不堪使用。二氧化锆室温下不以立方晶相(萤石晶体结构)存在，但借由添加其他的氧化物，可大幅增加二氧化锆以立方晶相稳定存在的温度范围。参杂相稳定剂的二氧化锆被称作稳定化氧化锆(stabilized zirconias).[1]
除了氧化钇，氧化钙、氧化镁、二氧化铈、氧化铝、氧化钪等也可以做为二氧化锆的相稳定剂。
添加不同比例氧化钇的二氧化锆有其术语，英译如下:
- 4YSZ - 96 mol% ZrO2 4 mol% Y2O3
- 部分稳定氧化锆 (Partially Stabilized Zirconia, PSZ)
- 四方晶氧化锆 (Tetragonal Zirconia Polycrystal, TZP)
- 8YSZ - 92 mol% ZrO2 8 mol% Y2O3
- 全稳定化氧化锆 (Fully Stabilized Zirconia, FSZ)
- 立方晶氧化锆(Cubic Stabilized Zirconia, CSZ)
因氧化钇含量而异，线膨胀系数大致为8-10 µm/m°C [2]
离子导电性
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二氧化锆添加氧化钇，以Y2O3置换部分Zr2O4，晶体保持电中性立方晶相而有 O2− 空位。由于热运动可促使 O2− 及空位迁移，钇稳定氧化锆在高温具有离子导电性，电导率随温度上升而增加。利用钇稳定氧化锆的材料特性，可做为固态氧化物燃料电池元件。[1]
用途
钇稳定氧化锆(YSZ)硬度高且化学活性低，作为原料应用于:
- 人工牙冠
- 耐火材料 (例如: 喷射机引擎、汽车陶瓷刹车片)
- 燃气涡轮机的热阻障层
- 电子陶瓷 (例如: 侦测汽车废气氧气含量的氧气感测器、高温高压水溶液之pH计探针、燃料电池).
- 固态氧化物燃料电池 (SOFC)。钇稳定氧化锆(YSZ)为其中之固态电解质，氧离子可在高温(约800 °C-1000 °C)下移动，借由电极两端的氧气浓度差产生电动势。虽然钇稳定氧化锆(YSZ)在高温下仍保有相当的机械强度，运作环境温度过高为这种发电方式的不利条件。此外，也需要相当尺寸、用量的固态电解质以分隔两处的气体。[3]
- 合成俗称苏联钻的立方氧化锆，有足以媲美钻石的闪耀及硬度。
- 陶瓷刀
- 掺杂稀土元素可做为磷光测温法的热阻障层(TBC)兼发光物质[4]
- (二十世纪早期)能斯脱灯泡(Nernst lamp) 的灯丝
- 光纤陶瓷接头、袖管
参考文献
- ^ 1.0 1.1 H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, "The Chemistry of Ceramics", John Wiley & Sons, 1996.
- ^ Matweb: Yttria Stabilized Zirconia （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Minh, N.Q. Ceramic Fuel-Cells. Journal of the American Ceramic Society. 1993, 76 (3): 563–588. doi:10.1111/j.1151-2916.1993.tb03645.x.
- ^ American Ceramic Society. Progress in Thermal Barrier Coatings. John Wiley and Sons. 29 May 2009: 139– [23 October 2011]. ISBN 978-0-470-40838-4.
阅读更多
Green, D.J.; Hannink, R.; Swain, M.V. (1989). Transformation Toughening of Ceramics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.
高品质氧化锆粉体之应用 （页面存档备份，存于互联网档案馆）