Como profesional, probablemente haya aprendido que la zirconia estabilizada con itria (YSZ) desempeña un papel indispensable en los materiales de ingeniería modernos. ¿Le interesa la YSZ? Este artículo le brindará una comprensión completa de este material y le ayudará a tomar una decisión más informada para su aplicación.
Enlaces rápidos
- ¿Qué es la zirconia estabilizada con itria (YSZ)?
- Características de la estructura cristalina de YSZ
- Propiedades YSZ
- Guía de selección de YSZ
- Aplicación de YSZ
¿Qué es la zirconia estabilizada con itria (YSZ)?
El YSZ se fabrica añadiendo una proporción específica de óxido de itrio al óxido de zirconio. Su composición química incluye principalmente dos componentes clave: óxido de zirconio (ZrO₂) como matriz y óxido de itrio (Y₂O₃) como estabilizador. Según las necesidades de la aplicación, el contenido añadido de óxido de itrio suele estar entre 3 y 8 mol₁TP₃T.
En el campo de la ingeniería, YSZ es conocida por muchos nombres, entre ellos:
Zirconia estabilizada con itria
ZrO2 estabilizado con Y2O3
Óxido de circonio estabilizado con itrio
Óxido de circonio estabilizado con itria
Independientemente del nombre que se utilice, todos se refieren al material YSZ.
Características de la estructura cristalina de YSZ
Si desea estudiar a fondo el rendimiento del YSZ, comprender primero su estructura cristalina le será de gran ayuda para comprenderlo. El óxido de circonio puro posee una propiedad única de transición de fase. A temperatura ambiente, presenta una estructura de fase monoclínica. Al aumentar gradualmente la temperatura, experimenta dos transiciones de fase. Esta transición de fase puede afectar su aplicación.
A temperatura ambiente de -1170 ℃, el óxido de circonio presenta una fase monoclínica (Monoclínica)
1170-2370 ℃, la zirconia presenta una fase tetragonal (tetragonal)
A ＞2370 ℃, la zirconia exhibe fase cúbica (cúbica)
En este momento, la adición de óxido de itrio puede estabilizar el mecanismo. El principio es el siguiente: al introducir Y₂O₃ en la red de zirconia, los iones Y₃+ reemplazarán a algunos iones Zr₃+ y, al mismo tiempo, se generarán vacantes de oxígeno para mantener el equilibrio de carga.
La adición de óxido de itrio le ayudará a lograr dos objetivos importantes:
1. Conservación estable de la estructura de la fase de alta temperatura a temperatura ambiente.
2. Previene eficazmente la generación de estrés dañino por cambio de fase.
Propiedades YSZ
El YSZ posee numerosas propiedades superiores. Ya sea que necesite alta resistencia, resistencia a altas temperaturas o inercia química, el YSZ puede satisfacer sus necesidades. Al seleccionar la especificación adecuada de YSZ, le recomendamos que evalúe cuidadosamente estos parámetros de rendimiento en función de su aplicación específica.
Propiedades mecánicas
El YSZ posee excelentes propiedades mecánicas. Sus principales propiedades mecánicas son las siguientes:
Densidad:La densidad del YSZ es de 6,02 g/cc. Esta densidad relativamente moderada garantiza la resistencia del material sin sobrecargar el equipo.
Dureza:YSZ tiene una dureza Mohs de 8,5, tiene una resistencia al desgaste muy fuerte y es muy duradero.
Resistencia a la flexión:YSZ tiene una resistencia a la flexión de hasta 976 MPa (142 000 psi), lo que le permite usarlo en entornos mecánicos extremadamente hostiles.
Tenacidad a la fractura:La tenacidad a la fractura de YSZ es muy superior, lo que se debe principalmente a su exclusivo mecanismo de endurecimiento por transformación de fase.
Propiedades térmicas
El YSZ es un material ideal para aplicaciones de alta temperatura. Sus propiedades térmicas son las siguientes:
- Punto de fusión: superior a 2700 ℃, lo que significa que YSZ se puede utilizar en entornos de temperaturas extremadamente altas.
- Conductividad térmica: La conductividad térmica a temperatura ambiente es de 2,0 a 2,3 W/m·K, lo que lo convierte en un excelente material de aislamiento térmico.
- Coeficiente de expansión térmica: 10,7-11,2 × 10-6/℃ (RT-900℃)
- Resistencia al choque térmico: YSZ tiene una resistencia al choque térmico muy superior y puede soportar algunos cambios rápidos de temperatura.
- Punto de fusión: más de 2700 °C, lo que lo hace ideal para entornos extremos.
- Conductividad térmica: 2,0-2,3 W/m·K (temperatura ambiente). Esta baja conductividad térmica lo convierte en un excelente aislante térmico.
- Coeficiente de expansión térmica: 10,7-11,2 × 10^-6/°C (RT-900°C). Este coeficiente moderado de expansión térmica ayuda a reducir la tensión térmica.
- Resistencia al choque térmico: Su excelente resistencia al choque térmico le permite soportar cambios rápidos de temperatura.
Propiedades químicas
Las propiedades químicas del YSZ en la industria se reflejan principalmente en su excelente estabilidad. Es resistente a la corrosión y a la oxidación, no se corroe fácilmente por ácidos y álcalis fuertes y se mantiene estable en entornos de oxidación a altas temperaturas. Además, es biocompatible, lo que lo hace ideal para implantes médicos.
Estas características de rendimiento hacen de YSZ la opción ideal para sus aplicaciones más exigentes. Ya sea que necesite alta resistencia, resistencia a altas temperaturas o inercia química, YSZ puede satisfacer sus necesidades. Al seleccionar la especificación adecuada de YSZ, se recomienda considerar cuidadosamente estos parámetros de rendimiento con los requisitos específicos de su aplicación.
Guía de selección de YSZ
Al elegir YSZ, es importante comprender las características de los diferentes tipos y los escenarios de aplicación adecuados. Según el contenido de óxido de itrio (Y₂O₃), el mercado de YSZ se divide principalmente en tres series.
3mol% YSZ
3mol₁TP₃T YSZ es el producto de zirconia parcialmente estabilizada más popular del mercado. Es la opción preferida para algunas aplicaciones estructurales de alto rendimiento. La zirconia parcialmente estabilizada presenta principalmente una estructura de fase tetragonal a temperatura ambiente. Sus principales propiedades mecánicas son las siguientes:
- Propiedades de flexión–1200 MPa
- Tenacidad a la fractura–10 MPa·m1/2
- Resistente al desgaste y a los impactos.
- Si su aplicación necesita soportar altos niveles de estrés y frecuentes choques mecánicos, 3mol% YSZ es su elección ideal.
5mol% YSZ
El 5mol% YSZ ofrece un rendimiento y una procesabilidad más equilibrados. Posee excelentes propiedades reológicas, excelentes propiedades de moldeo y una buena actividad de sinterización.
Si su producto requiere detalles de procesamiento precisos y formas de procesamiento complejas, el excelente rendimiento de procesamiento de 5mol% YSZ puede ayudarlo mejor a lograr sus objetivos de diseño.
5mol% YSZ es muy adecuado para los siguientes procesos:
- Proceso de fundición de tiras
- Moldeo por inyección
- Fabricación de piezas estructurales de precisión
8mol% YSZ
El 8mol₁TP₃T YSZ logra la estabilización completa del óxido de circonio y es un material ideal para aplicaciones de conducción iónica. Presenta una estructura de fase cúbica pura a temperatura ambiente. La zirconia completamente estabilizada se caracteriza por una excelente conductividad iónica de oxígeno y una excepcional estabilidad a altas temperaturas.
En algunas aplicaciones que requieren alta conductividad iónica, como las celdas de combustible de óxido sólido, ¡es su elección ideal!
Aplicación de YSZ
Aplicaciones industriales
En el ámbito industrial, el YSZ tiene una amplia gama de aplicaciones y su excelente rendimiento: resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste, alta dureza, baja fricción y alta tenacidad. Las ventajas de este material se pueden encontrar en los siguientes escenarios:
- Componentes del cuerpo de la bomba
- Herramientas de corte
- Sistema de válvulas
- Componentes de los cojinetes
- Recubrimiento resistente al desgaste
Campo médico
YSZ tiene buena biocompatibilidad y propiedades mecánicas, lo que lo convierte en una opción ideal para materiales de implantes.
- En odontología, son hermosas y duraderas las coronas e implantes totalmente de cerámica.
- En aplicaciones ortopédicas, es una prótesis articular duradera y de alta resistencia.
- En equipos médicos, es un componente de equipo médico confiable.
Sector energético
En aplicaciones energéticas, YSZ se puede utilizar como electrolito para celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), revestimientos de protección térmica para turbinas de gas y materiales de sensores de oxígeno para entornos de alta temperatura.
Aeroespacial
En el sector aeroespacial, el rendimiento y la durabilidad del YSZ a altas temperaturas son fundamentales. Puede utilizarse como sistema de protección térmica para piezas calientes de motores y también se utiliza en algunas piezas estructurales de alta temperatura.
Conclusión
La zirconia estabilizada con itria tiene una amplia gama de usos en todos los ámbitos de la vida. Espero que este artículo le resulte útil.
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