تخيل مادة السيراميك التي يمكن أن تتحمل درجات الحرارة القصوى لمحركات الطائرات النفاثة، وتقيس بدقة مستويات الأكسجين في مخارج السيارات، وحتى تكون حجرًا كريمًا لامعًا على إصبعك.هذا الزركونيا المستقرة باليتريا (YSZ)لكن كيف ينجز (ايزز) هذه المهام التي تبدو مستحيلة؟دعونا نستكشف المبادئ العلمية والتطبيقات الواسعة النطاق لهذه المادة الرائعة.
الزركونيا المستقرة باليتريا (YSZ) هي مادة سيراميكية تتكون في المقام الأول من ثاني أكسيد الزركونيوم (ZrO)2مع أكسيد اليتريوم2أوه3في العبارات البسيطة، إضافة أكسيد اليتريوم إلى ثاني أكسيد الزركونيوم يضمن المواد الحفاظ على بنية مكعبة مستقرة في درجة حرارة الغرفة،يفتح أداءً متفوق.
ثاني أكسيد الزركونيوم النقي يخضع للانتقال المرحلي عند درجات حرارة مختلفة من أحادي الصورة (مستقر في درجة حرارة الغرفة) إلى تيتراگونال (حوالي 1173 درجة مئوية) إلى مكعب (حوالي 2370 درجة مئوية) ،قبل الذوبان عند درجة حرارة 2690 درجة مئوية تقريباًتسبب هذه التحولات تغيرات كبيرة في الحجم (حتى 5 ٪) ، مما يؤدي إلى الإجهاد الداخلي الذي يمكن أن يشق أو يكسر المادة.هذا يجعل ثاني أكسيد الزركونيوم النقي غير مناسب لتطبيقات السيراميك عالية الأداء دون استقرار.
قام العلماء بمعالجة عدم استقرار ثاني أكسيد الزركونيوم بإدماج أكسيد اليتريوم.4+) مع أيونات اليتريوم أكبر قليلاً (Y3+) يثبت الهيكل المكعب على نطاق درجة حرارة أوسع. تسمى هذه المادة المزودة "زيركونيا مستقرة".
تحديداً، Y3+الأيونات التي تحل محل Zr4+يخلق فراغات الأكسجين في الشبكة البلورية، مما يثبت الهيكل المكعب. وهذا يمنح YSZ موصلة آيونية ممتازة في درجات الحرارة العالية،حاسمة للتطبيقات مثل خلايا الوقود الأكسيد الصلب.
اعتماداً على محتوى أكسيد اليتريوم، يقع YSZ في فئتين:
يمكن أيضًا استخدام مستقرين آخرين مثل أكسيد الكالسيوم وأكسيد المغنيسيوم وأكسيد السيريوم. لافتًا إلى أن الزركونيا المستقرة بالهافنيا لديها توصيل حراري أقل بنسبة 25٪ من YSZ ،مما يجعلها مفضلة للطلاء الحراري الحاجز.
تعتمد تنوع YSZ على خصائصها الاستثنائية:
يختلف معامل التوسع الحراري لـ YSZ حسب بنية الكريستال: أحادية الصلبة (7 × 10)-6/K) ، رباعي الشكل (12 × 10)-6/K) ومستقرة باليتريا (10.5 × 10-6(ك).
موصلاته الأيونية تنشأ من فراغات الأكسجين التي تم إنشاؤها عن طريق تعاطي اليتريوم.2أوه3، يمكن أن تتحلل YSZ بسبب فصل المراحل ، مما يقلل من الموصلة بنسبة 40٪ على مدى 2500 ساعة في 950 درجة مئوية. تسرع الشوائب مثل النيكل هذا التحلل. تشمل الحلول الحديثة الزركونيا المضافة (مثل.، مع السكانديوم).
يستخدم YSZ ٪ الصناعات والتقنيات:
يمكن للتقدم في معالجة YSZ وتعزيزه أن يعزز من موهبته الأيونية والاستقرار الحراري ، وتحسين SOFCs وتمكين أجهزة استشعار جديدة أو مواد طبية حيوية.
الزركونيا المستقرة باليتريا هي مادة سيراميكية تحويلية ذات تنوع لا مثيل له. من الطيران إلى المجوهرات ، تستمر خصائصها الفريدة في دفع الابتكار عبر الصناعات.سواء كنت مهندس، الباحث، أو القارئ الفضول، يوضح YSZ كيفية تشكيل علم المواد التكنولوجيا الحديثة.
