YSZ (ytria – stabilized Zirconia) ist ein keramisches Material, das aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) besteht, das durch Yttrium (y₂O₃) stabilisiert wird.
Durch die Zugabe von Yttria wird der Phasenübergangstemperaturbereich von Zirkoniumdioxid verändert, um kubische und tetragonale Kristalle zu erzeugen, die bei Raumtemperatur stabil sind.
Aufgrund des Stabilisierungsprozesses hat es hervorragende mechanische Eigenschaften, thermische Stabilität und chemische Stabilität, so dass es in vielen Bereichen weit verbreitet ist.
Dieser Artikel gibt eine detaillierte Einführung in die Struktur, die Eigenschaften, die Zubereitungsmethode und die Anwendung von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid.
I. Struktur von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid
Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) ist ein keramisches Zirkonoxid-Material, das durch Zugabe von Yttriumoxid (Y2O3) stabilisiert wird.
Die Struktur von YSZ ist ein gitterartiges Oxid mit einer bestimmten Leitfähigkeit.
Ytria-stabilisiertes Zirkonoxid hat einen guten Wärmeausdehnungskoeffizienten, einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Härte, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und andere Eigenschaften und kann eine stabile Leistung bei hohen Temperaturen und starker Korrosion aufrechterhalten.
II. Eigenschaften von Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid Eigenschaften von Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid
1. Mechanische Eigenschaften
Hohe Festigkeit und Zähigkeit: YSZ hat im Vergleich zu anderen Keramiken eine hohe Bruchzähigkeit, wodurch es widerstandsfähiger gegen Rissbildung und mechanisches Versagen ist.
Härte: Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid ist ein sehr hartes Material, wodurch es sich für verschleißfeste Anwendungen wie Schneidwerkzeuge und Lager eignet.
Dichte: Es hat eine hohe Dichte, typischerweise etwa 6,05 g/cm³, was zur Verbesserung seiner mechanischen Festigkeit und thermischen Eigenschaften beiträgt.
Verschleißfestigkeit: Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid hat eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und eignet sich gut für Anwendungen in abrasiven Umgebungen.
2. Thermische Eigenschaften
Hohe Temperaturstabilität: YSZ hält Temperaturen von bis zu 2400 °C stand und eignet sich daher für Hochtemperaturanwendungen wie Wärmedämmschichten in Gasturbinen und Motoren.
Niedrige Wärmeleitfähigkeit: Eines der herausragenden Merkmale von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid ist seine geringe Wärmeleitfähigkeit, die es zu einem effizienten Wärmedämmstoff macht.
Diese Eigenschaft ist entscheidend für Anwendungen wie Wärmedämmschichten (TBCs) für Luft- und Raumfahrt- und Industriegasturbinen.
Wärmeausdehnung: Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid hat einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Metalle und weist in Kombination mit Metallsubstraten eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit auf.
3. Leitfähige Eigenschaften
Leitfähigkeit der Sauerstoffionen: YSZ ist ein ausgezeichneter Sauerstoffionenleiter und ein Schlüsselmaterial für Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) und Sauerstoffsensoren.
Eigenschaften des Elektrolyten: Die hohe Ionenleitfähigkeit und die geringe elektronische Leitfähigkeit von YSZ machen es zu einem idealen Elektrolyten in elektrochemischen Hochtemperaturgeräten.
4. Chemische Eigenschaften
Korrosionsbeständigkeit: YSZ ist chemisch inert und beständig gegen korrosive Umgebungen, wodurch es für den Einsatz in rauen chemischen Umgebungen oder Umgebungen geeignet ist, in denen die chemische Stabilität entscheidend ist.
Antioxidation: Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid hat starke Antioxidationseigenschaften, was für Hochtemperatur- und oxidierende Umgebungen wie Brennkammern und Brennstoffzellen von entscheidender Bedeutung ist.
III. Zubereitungsmethode von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid
1. Pulvermetallurgische Methode:
Nach dem Mischen von Zirkonoxid und Yttriumoxid reagieren Sie bei hoher Temperatur, um YSZ-Pulver zu erhalten, und bereiten es dann durch Verfahren wie Formen und Sintern zu Produkten vor.
2. Sol-Gel-Methode:
Nach dem Mischen von Zirkonoxid- und Yttriumoxidlösungen werden Hydrolyse, Polykondensation und andere Reaktionen durchgeführt, um ein Gel zu bilden, und dann Trocknen, Sintern und andere Prozesse durchlaufen, um es zu Produkten vorzubereiten.
3. Sputter-Methode:
In einer Hochvakuumumgebung wird die Sputtertechnologie verwendet, um Zirkonoxid- und Yttriumoxid-Targets auf ein Substrat zu sputtern, um einen Yttrium-stabilisierten Zirkonoxidfilm zu bilden.
IV. Wofür wird Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid verwendet?
1. Keramische Werkzeuge:
Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid hat eine hohe Härte und eine hohe Verschleißfestigkeit und kann zur Herstellung von Keramikwerkzeugen verwendet werden, mit den Vorteilen einer langen Lebensdauer und eines hohen Wirkungsgrads.
2. Keramische Lager:
YSZ hat eine hohe Härte und Zähigkeit und kann zur Vorbereitung von Keramiklagern mit den Eigenschaften hoher Drehzahl, hoher Präzision und hoher Zuverlässigkeit verwendet werden.
3. Elektrolyt der Brennstoffzelle:
YSZ hat eine gewisse Ionenleitfähigkeit und kann zur Herstellung von Brennstoffzellenelektrolyten verwendet werden, was die Vorteile einer hohen Temperatur, eines hohen Wirkungsgrads und eines Umweltschutzes bietet.
4. Bereiche des Chemikalien- und Umweltschutzes:
Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid hat eine gute chemische Stabilität und thermische Stabilität und kann zur Herstellung von korrosionsbeständigen und hochtemperaturbeständigen Geräten und Komponenten in den Bereichen Chemikalien- und Umweltschutz verwendet werden.
Yttrium-stabilisierte Zirkonoxid-Strukturkeramiken sind ein hervorragender technischer Werkstoff mit breiten Anwendungsperspektiven.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie und der kontinuierlichen Verbesserung der Vorbereitungstechnologie wird Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid in mehr Bereichen eingesetzt und entwickelt.
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