釔穩定氧化鋯

釔穩定氧化鋯 (英文:Yttria-stabilized zirconia, YSZ) 是一種陶瓷材料,藉由添加氧化釔改變二氧化鋯的相變態溫度範圍,產生室溫下穩定的立方晶體及四方晶體。

機制

純氧化鋯在室溫為單斜晶相,溫度上升至約1173℃時會轉變成四方晶相,上升至2370℃時則轉換成立方晶相,於2690℃變成液相。

單斜晶相(相變態溫度:1173 °C)四方晶相(相變態溫度:2370 °C)立方晶相(熔點/凝固點:2690 °C)液體

純氧化鋯從高溫冷卻至室溫,經過相變態溫度時正方晶轉換成單斜晶,因其體積劇烈改變,造成燒結後的成品含有微裂縫,往往不堪使用。二氧化鋯室溫下不以立方晶相(螢石晶體結構)存在,但藉由添加其他的氧化物,可大幅增加二氧化鋯以立方晶相穩定存在的溫度範圍。參雜相穩定劑的二氧化鋯被稱作穩定化氧化鋯(stabilized zirconias).[1]

除了氧化釔,氧化鈣氧化鎂二氧化鈰氧化鋁氧化鈧等也可以做為二氧化鋯的相穩定劑。

添加不同比例氧化釔的二氧化鋯有其術語,英譯如下:

  • 4YSZ - 96 mol% ZrO2 4 mol% Y2O3 
  • 部分穩定氧化鋯 (Partially Stabilized Zirconia, PSZ)
  • 四方晶氧化鋯 (Tetragonal Zirconia Polycrystal, TZP)
  • 8YSZ - 92 mol% ZrO2 8 mol% Y2O3 
  • 全穩定化氧化鋯 (Fully Stabilized Zirconia, FSZ) 
  • 立方晶氧化鋯(Cubic Stabilized Zirconia, CSZ)

因氧化釔含量而異,線膨脹系數大致為8-10 µm/m°C [2]

離子導電性

 
釔穩定氧化鋯晶體結構示意圖

二氧化鋯添加氧化釔,以Y2O3置換部分Zr2O4,晶體保持電中性立方晶相而有 O2− 空位。由於熱運動可促使 O2− 及空位遷移,釔穩定氧化鋯在高溫具有離子導電性,電導率溫度上升而增加。利用釔穩定氧化鋯的材料特性,可做為固態氧化物燃料電池元件。[1]

用途

 
全瓷牙冠

釔穩定氧化鋯(YSZ)硬度高且化學活性低,作為原料應用於:

  • 人工牙冠
  • 耐火材料 (例如: 噴射機引擎、汽車陶瓷煞車片)
  • 燃氣渦輪機熱阻障層
  • 電子陶瓷 (例如: 偵測汽車廢氣氧氣含量的氧氣感測器英語Oxygen sensor、高溫高壓水溶液之pH計探針、燃料電池).
  • 固態氧化物燃料電池 (SOFC)。釔穩定氧化鋯(YSZ)為其中之固態電解質,氧離子可在高溫(約800 °C-1000 °C)下移動,藉由電極兩端的氧氣濃度差產生電動勢。雖然釔穩定氧化鋯(YSZ)在高溫下仍保有相當的機械強度,運作環境溫度過高為這種發電方式的不利條件。此外,也需要相當尺寸、用量的固態電解質以分隔兩處的氣體。[3]
  • 合成俗稱蘇聯鑽的立方氧化鋯,有足以媲美鑽石的閃耀及硬度。
  • 陶瓷刀
  • 摻雜稀土元素可做為磷光測溫法的熱阻障層(TBC)兼發光物質[4]
  • (二十世紀早期)能斯脫燈泡(Nernst lamp) 的燈絲
  • 光纖陶瓷接頭、袖管

參考文獻 

  1. ^ 1.0 1.1 H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, "The Chemistry of Ceramics", John Wiley & Sons, 1996.
  2. ^ Matweb: Yttria Stabilized Zirconia 頁面存檔備份,存於互聯網檔案館
  3. ^ 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. 
  4. ^ 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. 

閱讀更多 

Green, D.J.; Hannink, R.; Swain, M.V. (1989). Transformation Toughening of Ceramics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5. 

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