อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย

อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย (อังกฤษ: Yttria-stabilized zirconia, YSZ) เป็นเซรามิกที่มีโครงสร้างผลึกรูปลูกบาศก์ของเซอร์โคเนียมไดออกไซด์ ซึ่งทำให้เสถียรที่อุณหภูมิห้องโดยการเติม อิตเทรียมออกไซด์ ออกไซด์เหล่านี้มีชื่อสามัญเรียกว่า "เซอร์โคเนีย" (ZrO₂) และ "อิตเทรีย" (Y₂O₃)

โครงสร้างผลึกของ อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย (YSZ)

การทำให้เสถียร

เซอร์โคเนียมไดออกไซด์บริสุทธิ์ผ่านการเปลี่ยนสถานะโครงสร้างผลึกจาก โมโนคลินิก (เสถียรที่อุณหภูมิห้อง) เป็นเตตระโกนัล (ที่อุณหภูมิประมาณ 1,173 °C) จากนั้นเปลี่ยนเป็นผลึกลูกบาศก์ (ที่ประมาณ 2,370 °C) ตามรูปแบบ:

โมโนคลินิก (1,173 °C) ${\displaystyle \leftrightarrow }$  เตตระโกนัล (2,370 °C) ${\displaystyle \leftrightarrow }$  คิวบิก (2,690 °C) ${\displaystyle \leftrightarrow }$  หลอมเหลว

การได้มาซึ่งผลิตภัณฑ์เซรามิกเผาผนึกเซอร์โคเนียที่มีความเสถียรนั้นเป็นเรื่องยาก เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างมากพร้อมกับการเปลี่ยนสถานะโครงสร้างจากผลึกเตตระโกนัล เป็นโมโนคลินิก (ประมาณ 5%) การทำให้เกิดความเสถียร ของผลึกลูกบาศก์พหุสัณฐานของเซอร์โคเนียในช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้นนั้น สามารถทำได้โดยการแทนที่ไอออนของ Zr⁴⁺ บางส่วน (รัศมีอิออนิกขนาด 0.82 Å ซึ่งมีขนาดเล็กเกินไปสำหรับโครงผลึกที่สมบูรณ์ของฟลูออไรต์ที่เหมาะสำหรับผลึก เตตระโกนัลเซอร์โคเนีย) ในโครงสร้างผลึกด้วยอิออนที่มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อย เช่นของ Y³⁺ (รัศมีไอออนิกเท่ากับ 0.96 Å) ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการเจือวัสดุเซอร์โคเนียมที่เกิดขึ้นเรียกว่า สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย หรือ เซอร์โคเนียเสถียร

วัสดุที่เกี่ยวข้องกับ YSZ ได้แก่ แคลเซีย-, แมกนีเซีย-, ซีเรีย- หรือ อลูมินา- สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย หรือ เซอร์โคเนียที่เสถียรบางส่วน (PSZ) รวมทั้ง แฮฟเนีย- สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย ก็เป็นที่รู้จัก

แม้ว่าสารเจือ YSZ ความเข้มข้น 8–9 โมลเปอร์เซนต์นั้นเป็นที่ทราบกันว่าไม่เสถียรอย่างสมบูรณ์ในช่วงสถานะโครงสร้างผลึกแบบคิวบิกของ YSZ บริสุทธิ์ จนถึงอุณหภูมิสูงกว่า 1,000 °C

คำย่อที่ใช้กันโดยทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับ อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย คือ:

• เซอร์โคเนียเสถียรบางส่วน ZrO₂:
  • PSZ - Partially Stabilized Zirconia
  • TZP -Tetragonal Zirconia Polycrystal
  • 4YSZ: วัสดุเจือ 4 โมล-% ของ Y₂O₃ Partially Stabilized Zirconia ZrO₂, อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย

• เซอร์โคเนียเสถียรสมบูรณ์ ZrO₂:
  • FSZ - Fully Stabilized Zirconia
  • CSZ - Cubic Stabilized Zirconia
  • 8YSZ - วัสดุเจือ 8 โมล-% ของ Y₂O₃ Fully Stabilized ZrO₂
  • 8YDZ - วัสดุเจือ 8–9 โมล-% ของ Y₂O₃-doped ZrO2: มีข้อเท็จจริงที่วัสดุไม่เสถียรอย่างสมบูรณ์ และคืนรูปที่อุณหภูมิใช้งานสูง

สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงอุณหภูมิ

ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวจากความร้อนขึ้นอยู่กับการปรับเปลี่ยนโครงสร้างผลึกของเซอร์โคเนียดังนี้:

• โมโนคลินิก: 7 · 10⁻⁶/K
• เตตระโกนัล: 12 · 10⁻⁶/K
• Y₂O₃ เสถียร: 10.5 · 10⁻⁶/K

ค่าการนำไอออนของ YSZ และการเสื่อมสภาพ

โดยการเพิ่มอิตเทรีย ไปยังเซอร์โคเนียบริสุทธิ์ (เช่นในวัสดุ YSZ เสถียรสมบูรณ์) ไอออน Y³⁺ จะแทนที่ Zr⁴⁺ ในผลึกส่วนย่อยประจุบวก ดังนั้นออกซิเจนว่างถูกสร้างขึ้นจากค่าประจุที่เป็นกลาง:

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

ความหมายของสมการคือ สองไอออนของ Y³⁺ สร้างหนึ่งตำแหน่งว่างในผลึกส่วนย่อยประจุลบ สิ่งนี้ส่งผลให้มีการนำไฟฟ้าปานกลางของอิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนียสำหรับ O²⁻ ไอออน (และค่าการนำไฟฟ้า) สูงขึ้นที่อุณหภูมิสูง ความสามารถในการนำของไอออน O²⁻ ทำให้อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย เหมาะสำหรับการใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรไลต์ของแข็งในเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ของแข็ง

สำหรับวัสดุเจือความเข้มข้นต่ำ ค่าการนำอิออนของเซอร์โคเนียเสถียรจะเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มปริมาณ Y₂O₃ โดยมีค่าสูงสุดประมาณ 8–9 mol-% ซึ่งเกือบเป็นอิสระจากอุณหภูมิ (800–1,200 °C) น่าเสียดายที่ 8–9 mol-% ของ YSZ (8YSZ, 8YDZ) กลับตั้งอยู่ในเขต 2-phase (c + t) ของแผนภาพเฟสของ YSZ ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ซึ่งทำให้เกิดการสลายตัวของวัสดุเป็น Y-enriched และบริเวณการพร่อง (depletion region) บนมาตราส่วนนาโนเมตร และด้วยเหตุนี้นำไปสู่การเสื่อมสภาพทางไฟฟ้าในระหว่างการใช้งาน การเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างระดับไมโคร และทางเคมีในระดับนาโนเมตรนั้นมาพร้อมกับการลดลงอย่างมากของการนำออกซิเจนไอออนของ 8YSZ (การเสื่อมสภาพของ 8YSZ) ประมาณ 40% ที่ 950 °C ภายใน 2,500 ชั่วโมง ร่องรอยของสิ่งเจือปนเช่น Ni ที่ละลายใน 8YSZ เช่น ระหว่างการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงสามารถมีผลกระทบอย่างรุนแรงต่ออัตราการสลายตัว (การเร่งความเร็วของการสลายตัวของ 8YSZ ตามปริมาณการเจือปน) เช่นการเสื่อมสภาพของการนำไฟฟ้า ทำให้เกิดปัญหาแม้ที่อุณหภูมิการทำงานต่ำในช่วง 500–700 °C

ทุกวันนี้ มีการสร้างเซรามิกที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่น วัสดุเจือร่วมเซอร์โคเนีย (เช่นกับสแกนเดีย) ซึ่งถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง

การประยุกต์ใช้

 

ครอบฟันหลายซี่ ซึ่งปราศจากโลหะ

มีการประยุกต์ใช้ YSZ ในหลายด้านเช่น:

• ใช้ประโยชน์จากความแข็งและความเฉื่อยของสาร (เช่นทำครอบฟัน)
• ใชัเป็นวัสดุทนไฟ (เช่นในเครื่องยนต์ไอพ่น)
• เป็นส่วนประกอบของฉนวนความร้อนในเครื่องยนต์กังหันก๊าซ
• ใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรเซรามิกเนื่องจากคุณสมบัติการนำไอออน (เช่นเพื่อตรวจสอบปริมาณออกซิเจนในก๊าซไอเสีย, เพื่อวัดค่า pH ในน้ำอุณหภูมิสูง, ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิง)
• ใช้ในการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (Solid oxide fuel cell, SOFC) YSZ ใช้เป็นของแข็งอิเล็กโทรไลต์ซึ่งช่วยให้การนำออกซิเจนไอออนในขณะที่ปิดกั้นการนำไฟฟ้า เพื่อให้บรรลุการนำไอออนที่เพียงพอ SOFC ที่มีอิเล็กโทรไลต์ YSZ จะต้องดำเนินการที่อุณหภูมิสูง (800–1,000 °C) ในขณะที่มีข้อได้เปรียบที่ YSZ จะรักษาความแข็งแกร่งเชิงกลที่อุณหภูมิเหล่านั้น แต่อุณหภูมิสูงที่จำเป็นก็มักจะเป็นข้อเสียของ SOFCs สำหรับความหนาแน่นสูงของ YSZ ก็เป็นสิ่งจำเป็นในการแยกเชื้อเพลิงก๊าซออกจากออกซิเจนเช่นกัน มิฉะนั้นแล้วระบบไฟฟ้าเคมีจะไม่ผลิตพลังงานไฟฟ้า
• สำหรับความแข็งและคุณสมบัติทางแสงในรูปแบบของผลึกเดี่ยว monocrystal (ดู คิวบิกเซอร์โคเนีย) จะถูกใช้เป็นเครื่องประดับ
• เป็นวัสดุสำหรับใบมีดที่ไม่ใช่โลหะผลิตโดย บริษัท Boker และ เคียวเซรา
• ในสารเซรามิกและซีเมนต์สูตรน้ำ สำหรับทำเอง สิ่งนี้ประกอบด้วยเส้นใยที่ถูกบดละเอียดของ YSZ หรืออนุภาคย่อยระดับไมโครเมตร ซึ่งมักมีโพแทสเซียมซิลิเกตและเซอร์โคเนียมแอซิเตตเป็นสารยึดเกาะ (ที่ pH ที่เป็นกรดอ่อน ๆ ) การประสานเกิดขึ้นเมื่อน้ำถูกกำจัดออก วัสดุเซรามิกที่ได้นั้นเหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงมาก
• YSZ เจือด้วยวัสดุจากธาตุหายาก ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นสารรับภาพสำหรับอุปกรณ์จับภาพความร้อน และเป็นวัสดุเรืองแสง
• ในอดีตเคยใช้สำหรับแท่งเรืองแสงในหลอดไฟเนอร์ส (Nernst lamps)
• ใช้เป็นปลอกจัดตำแหน่งความแม่นยำสูง สำหรับปลอกโลหะของขั้วต่อใยแก้วนำแสง

ดูเพิ่ม

• คิวบิกเซอร์โคเนีย – รูปแบบผลึกลูกบาศก์ของเซอร์โคเนียมไดออกไซด์
• Sintering [en] – กระบวนการขึ้นรูปและเชื่อมวัสดุด้วยความร้อนหรือความดัน
• Superconducting wire [en] – สายตัวนำยิ่งยวดที่มีความต้านทานเป็นศูนย์

อ้างอิง

1. H. Yanagida; K. Koumoto; M. Miyayama (1996). The Chemistry of Ceramics. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-95627-9.
2. "Zirconium Oxide, Hafnia Stabilized (ZrO2 + Hf2)". Reade. สืบค้นเมื่อ 2020-03-03.
3. Butz, Benjamin (2011). Yttria-doped zirconia as solid electrolyte for fuel-cell applications : Fundamental aspects. Südwestdt. Verl. für Hochschulschr. ISBN 978-3-8381-1775-1.
4. Butz, B.; Schneider, R.; Gerthsen, D.; Schowalter, M.; Rosenauer, A. (2009-10-01). "Decomposition of 8.5 mol.% Y2O3-doped zirconia and its contribution to the degradation of ionic conductivity". 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. (2006-12-01). "Correlation between microstructure and degradation in conductivity for cubic Y2O3-doped ZrO2". Solid State Ionics. 177 (37–38): 3275–3284. doi:10.1016/j.ssi.2006.09.003.
6. Matweb: CeramTec 848 Zirconia (ZrO₂) & Zirconium Oxide, Zirconia, ZrO₂
7. Hund, F (1951). "Anomale Mischkristalle im System ZrO2–Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte". Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie. 55: 363–366.
8. Butz, B.; Lefarth, A.; Störmer, H.; Utz, A.; Ivers-Tiffée, E.; Gerthsen, D. (2012-04-25). "Accelerated degradation of 8.5 mol% Y2O3-doped zirconia by dissolved Ni". Solid State Ionics. 214: 37–44. doi:10.1016/j.ssi.2012.02.023.
9. Song, B.; Ruiz-Trejo, E.; Brandon, N.P. (August 2018). "Enhanced mechanical stability of Ni-YSZ scaffold demonstrated by nanoindentation and Electrochemical Impedance Spectroscopy". Journal of Power Sources. 395: 205–211. doi:10.1016/j.jpowsour.2018.05.075.
10. Minh, N.Q. (1993). "Ceramic Fuel-Cells". Journal of the American Ceramic Society. 76 (3): 563–588. doi:10.1111/j.1151-2916.1993.tb03645.x.
11. De Guire, Eileen (2003). "Solid Oxide Fuel Cells". CSA.
12. American Ceramic Society (29 May 2009). Progress in Thermal Barrier Coatings. John Wiley and Sons. pp. 139–. ISBN 978-0-470-40838-4. สืบค้นเมื่อ 23 October 2011.
13. "E-2000 Simplex". Diamond SA. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 22 January 2013.

บรรณานุกรม

• Green, D.J.; Hannink, R.; Swain, M.V. (1989). Transformation Toughening of Ceramics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2.

แหล่งข้อมูลอื่น

• ジルコニアセラミックスの基礎知識 – ความรู้พื้นฐานของเซอร์โคเนียเซรามิก (ในภาษาญี่ปุ่น)
• Zirconium – Stanford Materials