ลองจินตนาการถึงวัสดุเซรามิกที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสุดขั้วของเครื่องยนต์ไอพ่น วัดระดับออกซิเจนในไอเสียรถยนต์ได้อย่างแม่นยำ และแม้กระทั่งทำหน้าที่เป็นอัญมณีที่แวววาวบนนิ้วของคุณ นี่คือเซอร์โคเนียเสถียรอิตเทรีย (YSZ) ซึ่งเป็นวัสดุเซรามิกขั้นสูงที่รวมคุณสมบัติพิเศษหลายประการเข้าด้วยกัน แต่ YSZ บรรลุภารกิจที่ดูเหมือนเป็นไปไม่ได้เหล่านี้สำเร็จได้อย่างไร? เรามาสำรวจหลักการทางวิทยาศาสตร์และการประยุกต์วัสดุที่น่าทึ่งนี้ในวงกว้างกันดีกว่า
เซอร์โคเนียเสถียรอิตเทรีย (YSZ) เป็นวัสดุเซรามิกที่ประกอบด้วยเซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (ZrO) เป็นหลัก2) ด้วยอิตเทรียมออกไซด์ (Y2โอ3) เพิ่มเพื่อทำให้โครงสร้างผลึกลูกบาศก์มีความเสถียร กล่าวง่ายๆ ก็คือ การเติมอิตเทรียมออกไซด์ลงในเซอร์โคเนียมไดออกไซด์จะทำให้วัสดุรักษาโครงสร้างลูกบาศก์ที่เสถียรที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งช่วยปลดล็อกประสิทธิภาพที่เหนือกว่า
เซอร์โคเนียมไดออกไซด์บริสุทธิ์ผ่านการเปลี่ยนเฟสที่อุณหภูมิต่างๆ ตั้งแต่โมโนคลินิก (เสถียรที่อุณหภูมิห้อง) ไปจนถึงทรงสี่เหลี่ยม (ประมาณ 1173°C) เป็นลูกบาศก์ (ประมาณ 2370°C) ก่อนที่จะหลอมละลายที่ประมาณ 2690°C การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรอย่างมีนัยสำคัญ (มากถึง 5–6%) นำไปสู่ความเครียดภายในที่อาจทำให้วัสดุแตกหรือแตกหักได้ ซึ่งทำให้เซอร์โคเนียมไดออกไซด์บริสุทธิ์ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเซรามิกประสิทธิภาพสูงที่ไม่มีความเสถียร
นักวิทยาศาสตร์กล่าวถึงความไม่เสถียรของเซอร์โคเนียมไดออกไซด์ด้วยการผสมผสานอิตเทรียมออกไซด์ แทนที่เซอร์โคเนียมไอออนบางส่วน (Zr4+) โดยมีไอออนอิตเทรียมใหญ่กว่าเล็กน้อย (Y3+) ทำให้โครงสร้างลูกบาศก์คงที่ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น วัสดุเจือนี้เรียกว่า "เซอร์โคเนียเสถียร"
โดยเฉพาะ Y3+ไอออนแทนที่ Zr4+สร้างตำแหน่งว่างของออกซิเจนในโครงตาข่ายคริสตัล ทำให้โครงสร้างลูกบาศก์มีความเสถียร สิ่งนี้ทำให้ YSZ มีการนำไอออนิกที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเช่นเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์
ขึ้นอยู่กับปริมาณอิตเทรียมออกไซด์ YSZ แบ่งออกเป็นสองประเภท:
สารเพิ่มความคงตัวอื่นๆ เช่น แคลเซียมออกไซด์ แมกนีเซียมออกไซด์ และซีเรียมออกไซด์ก็สามารถใช้ได้เช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เซอร์โคเนียที่มีความเสถียรของฮาฟเนียมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า YSZ ประมาณ 25% ทำให้ดีกว่าสำหรับการเคลือบแผงกั้นความร้อน
ความสามารถรอบด้านของ YSZ เกิดจากคุณสมบัติพิเศษ:
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ YSZ แตกต่างกันไปตามโครงสร้างผลึก: โมโนคลินิก (7 × 10−6/K) ทรงสี่เหลี่ยม (12 × 10−6/K) และทำให้อิตเทรียคงตัว (10.5 × 10−6/เค)
การนำไอออนิกของมันเกิดขึ้นจากตำแหน่งออกซิเจนที่สร้างขึ้นโดยการโด๊ปอิตเทรียม อย่างไรก็ตาม ที่ 8–9 mol% Y2โอ3, YSZ สามารถย่อยสลายได้เนื่องจากการแยกเฟส ซึ่งลดการนำไฟฟ้าลง ~40% ในระยะเวลา 2,500 ชั่วโมงที่ 950°C สิ่งเจือปนเช่นนิกเกิลเร่งการย่อยสลายนี้ โซลูชันสมัยใหม่ประกอบด้วยเซอร์โคเนียเจือร่วม (เช่น สแกนเดียม)
YSZ ใช้อุตสาหกรรมและเทคโนโลยีที่หลากหลาย:
ความก้าวหน้าในการประมวลผลและการเติม YSZ สามารถปรับปรุงการนำไอออนิกและความเสถียรทางความร้อน ปรับปรุง SOFC และเปิดใช้งานเซ็นเซอร์ใหม่หรือวัสดุชีวการแพทย์
เซอร์โคเนียที่มีความเสถียรของ Yttria เป็นวัสดุเซรามิกที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้และมีความสามารถรอบด้านที่ไม่มีใครเทียบได้ ตั้งแต่การบินและอวกาศไปจนถึงเครื่องประดับ คุณสมบัติอันเป็นเอกลักษณ์ของมันยังคงขับเคลื่อนนวัตกรรมในอุตสาหกรรมต่างๆ อย่างต่อเนื่อง ไม่ว่าคุณจะเป็นวิศวกร นักวิจัย หรือผู้อ่านที่อยากรู้อยากเห็น YSZ เป็นตัวอย่างว่าวัสดุศาสตร์หล่อหลอมเทคโนโลยีสมัยใหม่อย่างไร
