Als professional heeft u wellicht vernomen dat yttriumoxide-gestabiliseerd zirkonium (YSZ) een onmisbare rol speelt in moderne technische materialen. Bent u nieuwsgierig naar YSZ? Door dit artikel te lezen krijgt u een uitgebreid begrip van dit materiaal en kunt u een weloverwogen keuze maken voor uw materiaaltoepassing!
Snelle links
- Wat is yttriumoxide-gestabiliseerd zirkonia (YSZ)
- YSZ-kristalstructuurkenmerken
- YSZ-eigenschappen
- YSZ Selectiegids
- Toepassing van YSZ
Wat is yttriumoxide-gestabiliseerd zirkonia (YSZ)
YSZ wordt gemaakt door een specifieke verhouding yttriumoxide toe te voegen aan zirkoniumoxide. De chemische samenstelling bestaat voornamelijk uit twee belangrijke componenten: zirkoniumoxide (ZrO2) als matrix en yttriumoxide (Y2O3) als stabilisator. Afhankelijk van uw toepassingsbehoeften ligt het toegevoegde gehalte yttriumoxide meestal tussen 3 en 8 mol%.
Op het gebied van engineering is YSZ bekend onder vele namen, waaronder:
Yttrium gestabiliseerd zirkonia
Y2O3 Gestabiliseerd ZrO2
Yttrium gestabiliseerd zirkoniumoxide
Zirkoniumoxide Yttriumoxide Gestabiliseerd
Ongeacht welke naam gebruikt wordt, ze verwijzen allemaal naar het materiaal YSZ.
YSZ-kristalstructuurkenmerken
Als u de prestaties van YSZ grondig wilt bestuderen, is het van groot belang om eerst de kristalstructuur te begrijpen. Zuiver zirkoonoxide heeft een unieke faseovergangseigenschap. Bij kamertemperatuur vertoont het een monokliene fasestructuur. Wanneer de temperatuur geleidelijk stijgt, ondergaat het twee faseovergangen. Dit faseovergangsgedrag kan van invloed zijn op uw toepassing.
Bij kamertemperatuur -1170℃ vertoont zirkoonoxide een monokliene fase (monoklinisch)
1170-2370℃, zirkonia vertoont een tetragonale fase (tetragonaal)
Bij ＞2370℃ vertoont zirkonia een kubische fase (kubiek)
Het toevoegen van yttriumoxide kan het mechanisme stabiliseren. Het principe is: wanneer je Y2O3 in het zirkoonrooster introduceert, zullen Y3+-ionen een deel van de Zr4+-ionen vervangen en tegelijkertijd zuurstofvacatures creëren om de ladingsbalans te behouden.
Door yttriumoxide toe te voegen, kunt u twee belangrijke doelen bereiken:
1. Stabiele bewaring van de hogetemperatuurfasestructuur bij kamertemperatuur
2. Effectief voorkomen van het ontstaan van schadelijke faseovergangsstress
YSZ-eigenschappen
YSZ heeft vele superieure eigenschappen. Of u nu hoge sterkte, hoge temperatuurbestendigheid of chemische inertie nodig hebt, YSZ voldoet aan uw behoeften. Bij het selecteren van de juiste YSZ-specificatie raden wij u aan deze prestatieparameters zorgvuldig af te wegen tegen uw specifieke toepassing.
Mechanische eigenschappen
YSZ heeft uitstekende mechanische eigenschappen. De belangrijkste mechanische eigenschappen zijn als volgt:
Dikte:De dichtheid van YSZ is 6,02 g/cc. De relatief gematigde dichtheid garandeert de sterkte van het materiaal zonder uw apparatuur te zwaar te belasten.
Hardheid:YSZ heeft een Mohs-hardheid van 8,5, het is zeer slijtvast en zeer duurzaam.
Buigsterkte:YSZ heeft een buigsterkte van maar liefst 976 MPa (142.000 psi), waardoor u het materiaal in extreem zware mechanische omgevingen kunt gebruiken.
Breuktaaiheid:De breuktaaiheid van YSZ is veel hoger, wat hoofdzakelijk te danken is aan het unieke fasetransformatie-verstevigingsmechanisme.
Thermische eigenschappen
YSZ is een ideaal materiaal voor toepassingen bij hoge temperaturen. De thermische eigenschappen zijn als volgt:
- Smeltpunt: hoger dan 2700℃, wat betekent dat YSZ gebruikt kan worden in omgevingen met extreem hoge temperaturen.
- Thermische geleidbaarheid: De thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur bedraagt 2,0-2,3 W/m·K, waardoor het een uitstekend thermisch isolatiemateriaal is.
- Thermische uitzettingscoëfficiënt: 10,7-11,2 × 10-6/℃ (RT-900℃)
- Thermische schokbestendigheid: YSZ heeft een zeer goede thermische schokbestendigheid en kan snelle temperatuurveranderingen weerstaan.
- Smeltpunt: meer dan 2700 °C, waardoor het ideaal is voor extreme omgevingen
- Thermische geleidbaarheid: 2,0-2,3 W/m·K (kamertemperatuur). Deze lage thermische geleidbaarheid maakt het een uitstekende thermische isolator.
- Thermische uitzettingscoëfficiënt: 10,7-11,2 × 10^-6/°C (RT-900°C). Deze gematigde thermische uitzettingscoëfficiënt helpt thermische spanning te verminderen.
- Thermische schokbestendigheid: Uitstekende thermische schokbestendigheid zorgt ervoor dat het bestand is tegen snelle temperatuurveranderingen
Chemische eigenschappen
De chemische eigenschappen van YSZ in de industrie komen vooral tot uiting in de uitstekende stabiliteit. Het is corrosiebestendig en oxidatiebestendig, corrodeert niet snel door sterke zuren en basen en blijft stabiel in oxidatieomgevingen met hoge temperaturen. Bovendien is het biocompatibel, waardoor het ideaal is voor medische implantaten.
Deze prestatiekenmerken maken YSZ tot een ideale keuze voor uw veeleisende toepassingen. Of u nu hoge sterkte, hoge temperatuurbestendigheid of chemische inertie nodig hebt, YSZ voldoet aan uw behoeften. Bij het selecteren van de juiste YSZ-specificatie is het raadzaam deze prestatieparameters zorgvuldig af te wegen tegen uw specifieke toepassingsvereisten.
YSZ Selectiegids
Bij de keuze voor YSZ moet u de kenmerken van verschillende typen en geschikte toepassingsscenario's begrijpen. Afhankelijk van het gehalte aan yttriumoxide (Y₂O₂) is de YSZ-markt hoofdzakelijk verdeeld in drie categorieën.
3mol% YSZ
3mol% YSZ is het populairste gedeeltelijk gestabiliseerde zirkoniaproduct op de markt. Het is de eerste keuze voor een aantal hoogwaardige structurele toepassingen. Gedeeltelijk gestabiliseerd zirkonia vertoont bij kamertemperatuur voornamelijk een tetragonale fasestructuur. De belangrijkste mechanische eigenschappen zijn als volgt:
- Buigeigenschappen - 1200 MPa
- Breuktaaiheid – 10 MPa·m1/2
- Slijtvast en slagvast
- Als uw toepassing hoge spanning en frequente mechanische schokken moet weerstaan, is 3mol% YSZ de ideale keuze voor u.
5mol% YSZ
5mol% YSZ heeft een evenwichtigere prestatie en verwerkbaarheid. Het heeft uitstekende reologische eigenschappen, uitstekende vormeigenschappen en een goede sinteractiviteit.
Als uw product nauwkeurige verwerkingsdetails en complexe verwerkingsvormen vereist, kunnen de uitstekende verwerkingsprestaties van 5mol% YSZ u beter helpen uw ontwerpdoelen te bereiken.
5mol% YSZ is zeer geschikt voor de volgende processen:
- Stripgietproces
- Spuitgieten
- Productie van precisie-structuuronderdelen
8mol% YSZ
8mol% YSZ bereikt volledige stabilisatie van zirkoniumoxide en is een ideaal materiaal voor iongeleidende toepassingen. Het vertoont een zuivere kubische fasestructuur bij kamertemperatuur. Volledig gestabiliseerd zirkoniumoxide wordt gekenmerkt door een uitstekende geleidbaarheid voor zuurstofionen en een uitstekende stabiliteit bij hoge temperaturen.
In sommige toepassingen waar een hoge ionische geleidbaarheid vereist is, zoals vasteoxidebrandstofcellen, is dit de ideale keuze!
Toepassing van YSZ
Industriële toepassingen
In de industriële sector heeft YSZ een breed scala aan toepassingen en zijn de prestaties uitstekend: corrosiebestendigheid, slijtvastheid, hoge hardheid, lage wrijving en hoge taaiheid. U vindt de voordelen van dit materiaal in de volgende scenario's:
- Pomplichaamcomponenten
- Snijgereedschappen
- Kleppensysteem
- Lagercomponenten
- Slijtvaste coating
Medisch veld
YSZ heeft een goede biocompatibiliteit en mechanische eigenschappen, waardoor het een ideale keuze is voor implantaatmaterialen
- In de tandheelkunde zijn het mooie en duurzame volledig keramische kronen en implantaten
- In orthopedische toepassingen is het een zeer sterke, duurzame gewrichtsprothese
- In medische apparatuur is het een betrouwbaar onderdeel van medische apparatuur
Energiesector
Bij energietoepassingen kan YSZ worden gebruikt als elektrolyt voor vasteoxidebrandstofcellen (SOFC's), thermische afschermingscoatings voor gasturbines en zuurstofsensormaterialen voor omgevingen met hoge temperaturen.
Lucht- en ruimtevaart
In de lucht- en ruimtevaart zijn de hogetemperatuurprestaties en duurzaamheid van YSZ van groot belang. Het kan worden gebruikt als thermisch beschermingssysteem voor hete motoronderdelen, en is ook te vinden in sommige constructiedelen die aan hoge temperaturen worden blootgesteld.
Conclusie
Yttriumoxide-gestabiliseerd zirkoniumoxide kent een breed scala aan toepassingen in alle lagen van de bevolking. Ik hoop dat u door het lezen van dit artikel iets nieuws leert.
Leer meer over keramische materialen.