Zirconia estabilizada con itria

Cerámica con estructura cristalina cúbica estable a temperatura ambiente.

Estructura cristalina de circonia estabilizada con itria (YSZ)

La zirconia estabilizada con itrio ( YSZ ) es una cerámica en la que la estructura cristalina cúbica del dióxido de zirconio se estabiliza a temperatura ambiente mediante la adición de óxido de itrio . Estos óxidos se denominan comúnmente "zirconia" ( Zr O ₂ ) e "itria" ( Y ₂ O ₃ ), de ahí su nombre.

Estabilización

El dióxido de circonio puro sufre una transformación de fase de monoclínico (estable a temperatura ambiente) a tetragonal (a unos 1173 °C) y luego a cúbico (a unos 2370 °C), según el esquema

monoclínico (1173 °C) ↔ tetragonal (2370 °C) ↔ cúbico (2690 °C) ↔ fundido.

Durante estas transformaciones, la zirconia puede experimentar una expansión de volumen de hasta un 5-6 %. ^[1] Este cambio puede inducir tensiones internas, lo que provoca grietas o fracturas en los materiales cerámicos . ^[2]

La obtención de productos cerámicos de zirconio sinterizado estables es difícil debido al gran cambio de volumen, de alrededor del 5%, que acompaña la transición de tetragonal a monoclínico. La estabilización del polimorfo cúbico de zirconio en un rango más amplio de temperaturas se logra mediante la sustitución de algunos de los iones Zr ⁴⁺ (radio iónico de 0,82 Å, demasiado pequeño para la red ideal de fluorita característica de la zirconio cúbica) en la red cristalina con iones ligeramente más grandes, por ejemplo, los de Y ³⁺ (radio iónico de 0,96 Å). Los materiales de zirconio dopado resultantes se denominan zirconios estabilizados . ^[3]

Los materiales relacionados con YSZ incluyen circonias estabilizadas con cal , magnesia , ceria o alúmina , o circonias parcialmente estabilizadas (PSZ). La circonia estabilizada con hafnia tiene aproximadamente un 25 % menos de conductividad térmica , lo que la hace más adecuada para aplicaciones de barrera térmica . ^[4]

Aunque se sabe que el 8–9  % molar de YSZ no se estabiliza completamente en la fase YSZ cúbica pura hasta temperaturas superiores a 1000 °C. ^[5]

Las abreviaturas comúnmente utilizadas junto con la zirconia estabilizada con itria son:

• Zirconia parcialmente estabilizada ZrO ₂ :
  • PSZ – Zirconia parcialmente estabilizada
  • TZP – policristal de circonia tetragonal
  • 4YSZ: con 4 mol% de Y ₂ O ₃ ZrO ₂ parcialmente estabilizado , zirconia estabilizada con itria
• Zirconias totalmente estabilizadas ZrO ₂ :
  • FSZ – Zirconia totalmente estabilizada
  • CSZ – circonita cúbica estabilizada
  • 8YSZ – con 8 mol% de Y ₂ O _{3 ZrO 2} completamente estabilizado
  • 8YDZ – 8–9 mol% Y ₂ O ₃ -ZrO ₂ dopado : el material no está completamente estabilizado y se descompone a altas temperaturas de aplicación, consulte los siguientes párrafos ^{[5] [6] [7]} )

Coeficiente de expansión térmica

Los coeficientes de expansión térmica dependen de la modificación de la zirconia de la siguiente manera:

• Monoclínico: 7·10 ⁻⁶ /K ^[8]
• Tetragonal: 12·10 ⁻⁶ /K ^[8]
• Y ₂ O ₃ estabilizado: 10,5·10 ⁻⁶ /K ^[8]

Conductividad iónica y degradación

Mediante la adición de itria a zirconia pura (por ejemplo, YSZ completamente estabilizada), los iones Y ³⁺ reemplazan a Zr ⁴⁺ en la subred catiónica. De este modo, se generan vacantes de oxígeno debido a la neutralidad de carga: ^[9]

${\displaystyle {\text{Y}}_{2}{\text{O}}_{3}\to 2{\text{Y}}_{\text{Zr}}'+3{\text{O}}_{\text{O}}^{\text{x}}+{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }{\text{ with }}[{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }]={\frac {1}{2}}[{\text{Y}}_{\text{Zr}}'],}$

Esto significa que dos iones Y ³⁺ generan una vacante en la subred aniónica. Esto facilita la conductividad moderada de la zirconia estabilizada con itrio para los iones O ²⁻ (y, por lo tanto, la conductividad eléctrica) a temperaturas elevadas y altas. Esta capacidad de conducir iones O ²⁻ hace que la zirconia estabilizada con itrio sea muy adecuada para su aplicación como electrolito sólido en celdas de combustible de óxido sólido.

Para bajas concentraciones de dopante, la conductividad iónica de las zirconias estabilizadas aumenta con el aumento del contenido de Y ₂ O _3. Tiene un máximo alrededor de 8-9 mol% casi independiente de la temperatura (800-1200 °C). ^{[3] [5]} Desafortunadamente, 8-9 mol% YSZ (8YSZ, 8YDZ) también resultó estar situado en el campo de 2 fases (c+t) del diagrama de fases YSZ a estas temperaturas, lo que causa la descomposición del material en regiones enriquecidas y empobrecidas en Y en la escala nanométrica y, en consecuencia, la degradación eléctrica durante la operación. ^[6] Los cambios microestructurales y químicos en la escala nanométrica están acompañados por la disminución drástica de la conductividad del ion oxígeno de 8YSZ (degradación de 8YSZ) de aproximadamente 40% a 950 °C en 2500 horas. ^[7] Los rastros de impurezas como el Ni, disueltos en el 8YSZ, por ejemplo, debido a la fabricación de celdas de combustible, pueden tener un impacto severo en la tasa de descomposición (aceleración de la descomposición inherente del 8YSZ en órdenes de magnitud) de modo que la degradación de la conductividad incluso se vuelve problemática a bajas temperaturas de operación en el rango de 500–700 °C. ^[10]

Hoy en día, se utilizan cerámicas más complejas como la zirconia codopada (por ejemplo, con escandia) como electrolitos sólidos.

Aplicaciones

Coronas dentales múltiples sin metal

YSZ tiene varias aplicaciones:

• Por su dureza e inercia química (por ejemplo, coronas dentales ).
• Como refractario (por ejemplo, en motores a reacción).
• Como revestimiento de barrera térmica en turbinas de gas .
• Como electrocerámica debido a sus propiedades conductoras de iones (por ejemplo, para determinar el contenido de oxígeno en gases de escape, para medir el pH en agua a alta temperatura, en celdas de combustible).
• Se utiliza en la producción de una pila de combustible de óxido sólido (SOFC). El YSZ se utiliza como electrolito sólido , lo que permite la conducción de iones de oxígeno mientras bloquea la conducción electrónica. Para lograr una conducción de iones suficiente, una SOFC con un electrolito YSZ debe funcionar a altas temperaturas (800–1000 °C). ^[11] Si bien es ventajoso que el YSZ conserve la robustez mecánica a esas temperaturas, la alta temperatura necesaria suele ser una desventaja de las SOFC. La alta densidad del YSZ también es necesaria para separar físicamente el combustible gaseoso del oxígeno, o de lo contrario el sistema electroquímico no produciría energía eléctrica. ^{[12] [13]}
• Por su dureza y propiedades ópticas en forma monocristalina (ver “ zirconia cúbica ”), se utiliza como joyería.
• Como material para hojas de cuchillos no metálicos , producido por las empresas Boker y Kyocera.
• En pastas a base de agua para cerámicas y cementos de fabricación casera. Contienen fibras microscópicas de YSZ molidas o partículas submicrométricas, a menudo con aglutinantes de silicato de potasio y acetato de circonio (a pH ligeramente ácido). La cementación se produce al eliminar el agua. El material cerámico resultante es adecuado para aplicaciones a temperaturas muy altas.
• El YSZ dopado con materiales de tierras raras puede actuar como un fósforo termográfico y un material luminiscente. ^[14]
• Utilizado históricamente para barras incandescentes en lámparas Nernst .
• Como recubrimiento de alta temperatura, producido por ZYP Coatings, Inc.
• Como manguito de alineación de alta precisión para casquillos de conectores de fibra óptica. ^[15]

Véase también

• Zirconia cúbica  : la forma cristalina cúbica del dióxido de circonio.
• Sinterización  : proceso de formación y unión de materiales mediante calor o presión.
• Cable superconductor  : cables que presentan resistencia cero

Referencias

1. Makri, H.; Belhouchet, H. (2015). "Transformación de zirconia en compuestos cerámicos multifásicos". Journal of Australian Ceramic Society Volumen . 51 (1): 60–72 . Consultado el 7 de octubre de 2024 .
2. Loewen, Eric. "El papel del óxido de itrio en la cerámica avanzada". Standford Advanced Materials . Consultado el 7 de octubre de 2024 .
3. H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, "La química de la cerámica", John Wiley & Sons, 1996. ISBN 0 471 95627 9 . 
4. Winter, Michael R.; Clarke, David R. (2006). "Conductividad térmica de soluciones sólidas de zirconia-hafnia estabilizadas con itria". Acta Materialia . 54 (19): 5051–5059. Bibcode :2006AcMat..54.5051W. doi :10.1016/j.actamat.2006.06.038. ISSN  1359-6454.
5. Butz, Benjamín (2011). Circonia dopada con itria como electrolito sólido para aplicaciones de pilas de combustible: aspectos fundamentales. Suroeste. Verl. für Hochschulschr. ISBN 978-3-8381-1775-1.
6. Butz, B.; Schneider, R.; Gerthsen, D.; Schowalter, M.; Rosenauer, A. (1 de octubre de 2009). "Descomposición de zirconia dopada con 8,5 mol.% Y2O3 y su contribución a la degradación de la conductividad iónica". Acta Materialia . 57 (18): 5480–5490. doi :10.1016/j.actamat.2009.07.045.
7. Butz, B.; Kruse, P.; Störmer, H.; Gerthsen, D.; Müller, A.; Weber, A.; Ivers-Tiffée, E. (1 de diciembre de 2006). "Correlación entre la microestructura y la degradación de la conductividad para ZrO2 dopado con Y2O3 cúbico _" . Solid _State Ionics . 177 ( 37–38): 3275–3284. doi : _10.1016 /j.ssi.2006.09.003.
8. Matweb: CeramTec 848 Zirconia (ZrO2) y óxido de zirconio, Zirconia, ZrO2
9. Hund, F. (1951). "Anomale Mischkristalle im System ZrO ₂ –Y ₂ O _3. Kristallbau der Nernst-Stifte". Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie (en alemán). 55 (5): 363–366. doi :10.1002/bbpc.19510550505.
10. Butz, B.; Lefarth, A.; Störmer, H.; Utz, A.; Ivers-Tiffée, E.; Gerthsen, D. (25 de abril de 2012). "Degradación acelerada de zirconia dopada con 8,5 mol% Y2O3 _{por Ni} disuelto ". Solid State Ionics . 214 : 37–44. doi :10.1016/j.ssi.2012.02.023.
11. Song, B.; Ruiz-Trejo, E.; Brandon, NP (agosto de 2018). "Estabilidad mecánica mejorada del andamio Ni-YSZ demostrada por nanoindentación y espectroscopia de impedancia electroquímica". Journal of Power Sources . 395 : 205–211. Bibcode :2018JPS...395..205S. doi : 10.1016/j.jpowsour.2018.05.075 . hdl : 10044/1/60309 .
12. Minh, NQ (1993). "Pilas de combustible de cerámica". Revista de la Sociedad Cerámica Americana . 76 (3): 563–588. doi :10.1111/j.1151-2916.1993.tb03645.x.
13. De Guire, Eileen (2003). Pilas de combustible de óxido sólido (informe). CSA.
14. Sociedad Americana de Cerámica (29 de mayo de 2009). Avances en los recubrimientos de barrera térmica. John Wiley and Sons. pp. 139–. ISBN 978-0-470-40838-4. Recuperado el 23 de octubre de 2011 .
15. "Soluciones de interconexión de fibra óptica". DIAMOND SA .

Lectura adicional

• Green, DJ; Hannink, R.; Swain, MV (1989). Endurecimiento por transformación de cerámica . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2.