Circonio estabilizado con itria

Cerámica con estructura cristalina cúbica estable a temperatura ambiente.

Estructura cristalina de circonio estabilizado con itria (YSZ)

La circona estabilizada con itrio ( YSZ ) es una cerámica en la que la estructura cristalina cúbica del dióxido de circonio 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 el nombre.

Estabilización

El dióxido de circonio puro sufre una transformación de fase de monoclínica (estable a temperatura ambiente) a tetragonal (a aproximadamente 1173 °C) y luego a cúbica (a aproximadamente 2370 °C), según el esquema.

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

Obtener productos cerámicos de circonio sinterizado estables es difícil debido al gran cambio de volumen, alrededor del 5%, que acompaña a la transición de tetragonal a monoclínico. La estabilización del polimorfo cúbico de la circona 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 circona cúbica) en la red cristalina con ligeramente iones más grandes, por ejemplo, los de Y ³⁺ (radio iónico de 0,96 Å). Los materiales de circonio dopado resultantes se denominan circonios estabilizados . ^[1]

Los materiales relacionados con YSZ incluyen circonias estabilizadas con calcia , magnesia , ceria o alúmina , o circonias parcialmente estabilizadas (PSZ). La circona estabilizada con Hafnia tiene aproximadamente un 25% menos de conductividad térmica , lo que la hace más adecuada para aplicaciones de barrera térmica . ^[2]

Aunque se sabe que entre un 8 y un 9  % en moles de YSZ no está completamente estabilizado en la fase cúbica pura de YSZ hasta temperaturas superiores a 1000 °C. ^[3]

Las abreviaturas comúnmente utilizadas junto con el circonio estabilizado con itria son:

• Circonio parcialmente estabilizado ZrO ₂ :
  • PSZ – circonio parcialmente estabilizado
  • TZP – policristal de circonio tetragonal
  • 4YSZ: con 4% en moles de Y ₂ O _{3 ZrO 2} parcialmente estabilizado , circonio estabilizado con itria
• Circonias totalmente estabilizadas ZrO ₂ :
  • FSZ – circonio totalmente estabilizado
  • CSZ – circonita cúbica estabilizada
  • 8YSZ – con 8% molar 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, ver los siguientes párrafos ^{[3] [4] [5]} )

Coeficiente de expansión térmica

Los coeficientes de expansión térmica dependen de la modificación del circonio de la siguiente manera:

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

Conductividad iónica y degradación.

Mediante la adición de itria a circonio puro (p. ej., YSZ completamente estabilizado), los iones Y ³⁺ reemplazan al Zr ⁴⁺ en la subred catiónica. De este modo, se generan vacantes de oxígeno debido a la neutralidad de carga: ^[7]

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

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

_{Para concentraciones bajas de} dopante, la conductividad iónica de las circonas estabilizadas aumenta al aumentar el contenido de _Y2O3 . Tiene un máximo de alrededor del 8 al 9% en moles, casi independiente de la temperatura (800 a 1200 °C). ^{[1] [3]} Desafortunadamente, 8–9% molar de YSZ (8YSZ, 8YDZ) también resultó estar situado en el campo de 2 fases (c+t) del diagrama de fases de YSZ a estas temperaturas, lo que provoca la descomposición del material. en regiones enriquecidas y empobrecidas en Y en la escala nanométrica y, en consecuencia, la degradación eléctrica durante la operación. ^[4] Los cambios microestructurales y químicos a escala nanométrica van acompañados de la drástica disminución de la conductividad de los iones de oxígeno de 8YSZ (degradación de 8YSZ) de aproximadamente un 40% a 950 °C en 2500 horas. ^[5] Los rastros de impurezas como el Ni, disueltos en el 8YSZ, por ejemplo, debido a la fabricación de pilas 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 se vuelve problemática incluso a bajas temperaturas de funcionamiento en el rango de 500 a 700 °C. ^[8]

Hoy en día, se utilizan como electrolitos sólidos cerámicas más complejas como la circona codopada (p. ej., con escandia).

Aplicaciones

Múltiples coronas dentales sin metal

YSZ tiene varias aplicaciones:

• Por su dureza e inercia química (p. ej., 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 (p. ej., para determinar el contenido de oxígeno en los gases de escape, para medir el pH en agua a alta temperatura, en pilas de combustible).
• Utilizado en la producción de una pila de combustible de óxido sólido (SOFC). YSZ se utiliza como electrolito sólido , que permite la conducción de iones de oxígeno mientras bloquea la conducción electrónica. Para lograr una conducción iónica suficiente, una SOFC con electrolito YSZ debe funcionar a altas temperaturas (800-1000 °C). ^[9] Si bien es ventajoso que YSZ conserve su robustez mecánica a esas temperaturas, la alta temperatura necesaria es a menudo una desventaja de las SOFC. La alta densidad de YSZ también es necesaria para separar físicamente el combustible gaseoso del oxígeno, de lo contrario el sistema electroquímico no produciría energía eléctrica. ^{[10] [11]}
• Por su dureza y propiedades ópticas en forma monocristal (ver " circonia cúbica "), se utiliza como joyería.
• Como material para hojas de cuchillos no metálicos , producido por las empresas Boker y Kyocera.
• En pastas al agua para cerámicas y cementos de bricolaje. Estos contienen fibras microscópicas molidas YSZ o partículas submicrométricas, a menudo con aglutinantes de silicato de potasio y acetato de circonio (a un pH ligeramente ácido). La cementación se produce al eliminar el agua. El material cerámico resultante es adecuado para aplicaciones de muy alta temperatura.
• YSZ dopado con materiales de tierras raras puede actuar como fósforo termográfico y material luminiscente. ^[12]
• Se utiliza históricamente para las varillas incandescentes de las lámparas Nernst .
• Como manguito de alineación de alta precisión para casquillos de conectores de fibra óptica. ^[13]

Ver también

• Circonia cúbica  : la forma cristalina cúbica del dióxido de circonio.
• Sinterización  : proceso de formar y unir material mediante calor o presión.
• Cable superconductor  : cables que presentan resistencia cero.

Referencias

1. H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, "La química de la cerámica", John Wiley & Sons, 1996. ISBN  0 471 95627 9 .
2. Invierno, Michael R.; Clarke, David R. (2006). "Conductividad térmica de soluciones sólidas de circonio-hafnia estabilizadas con itria". Acta Materialia . 54 (19): 5051–5059. Código Bib : 2006AcMat..54.5051W. doi :10.1016/j.actamat.2006.06.038. ISSN  1359-6454.
3. 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.
4. Butz, B.; Schneider, R.; Gerthsen, D.; Schowalter, M.; Rosenauer, A. (1 de octubre de 2009). "Descomposición de circonio dopado con Y2O3 al 8,5% en moles y su contribución a la degradación de la conductividad iónica". Acta Materialia . 57 (18): 5480–5490. doi :10.1016/j.actamat.2009.07.045.
5. Butz, B.; Kruse, P.; Störmer, H.; Gerthsen, D.; Müller, A.; Weber, A.; Ivers-Tiffée, E. (1 de diciembre de 2006). "Correlación entre microestructura y degradación de la conductividad para ZrO _{2 dopado con Y 2} O ₃ cúbico ". Iónicos de estado sólido . 177 (37–38): 3275–3284. doi :10.1016/j.ssi.2006.09.003.
6. Matweb: CeramTec 848 Circonio (ZrO2) y óxido de circonio, circonio, ZrO2
7. 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.
8. Butz, B.; Lefarth, A.; Störmer, H.; Utz, A.; Ivers-Tiffée, E.; Gerthsen, D. (25 de abril de 2012). "Degradación acelerada de circonio dopado con Y ₂ O ₃ al 8,5% en moles por Ni disuelto". Iónicos de estado sólido . 214 : 37–44. doi :10.1016/j.ssi.2012.02.023.
9. Canción, B.; Ruiz-Trejo, E.; Brandon, NP (agosto de 2018). "Estabilidad mecánica mejorada del andamio de Ni-YSZ demostrada mediante nanoindentación y espectroscopia de impedancia electroquímica". Revista de fuentes de energía . 395 : 205–211. Código Bib : 2018JPS...395..205S. doi : 10.1016/j.jpowsour.2018.05.075 . hdl : 10044/1/60309 .
10. Minh, NQ (1993). "Pilas de combustible de cerámica". Revista de la Sociedad Estadounidense de Cerámica . 76 (3): 563–588. doi :10.1111/j.1151-2916.1993.tb03645.x.
11. De Guire, Eileen (2003). Pilas de combustible de óxido sólido (Reporte). CSA.
12. Sociedad Estadounidense de Cerámica (29 de mayo de 2009). Avances en Recubrimientos de Barrera Térmica. John Wiley e hijos. págs.139–. ISBN 978-0-470-40838-4. Consultado el 23 de octubre de 2011 .
13. "Soluciones de interconexión de fibra óptica". DIAMANTE SA .

Otras lecturas

• Verde, DJ; Hannink, R.; Swain, MV (1989). Templado por Transformación de Cerámicas . Boca Ratón: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2.