Como profissional, você provavelmente já sabe que a zircônia estabilizada com ítria (ZEI) desempenha um papel indispensável nos materiais de engenharia modernos. Tem curiosidade sobre a ZEI? A leitura deste artigo lhe dará uma compreensão abrangente deste material e o ajudará a fazer uma escolha mais informada para a sua aplicação!
Links rápidos
- O que é zircônia estabilizada com ítria (YSZ)?
- Características da estrutura cristalina do YSZ
- Propriedades YSZ
- Guia de seleção YSZ
- Aplicação de YSZ
O que é zircônia estabilizada com ítria (YSZ)?
O YSZ é produzido pela adição de uma proporção específica de óxido de ítrio ao óxido de zircônio. Sua composição química inclui principalmente dois componentes principais: óxido de zircônio (ZrO2) como matriz e óxido de ítrio (Y2O3) como estabilizante. Dependendo das necessidades da sua aplicação, o teor adicionado de óxido de ítrio geralmente fica entre 3 e 8 mol¹TP³T.
No campo da engenharia, a YSZ é conhecida por muitos nomes, incluindo:
Zircônia estabilizada com ítria
ZrO2 estabilizado com Y2O3
Óxido de zircônio estabilizado com ítrio
Óxido de zircônio estabilizado com ítria
Não importa o nome usado, todos se referem ao material YSZ.
Características da estrutura cristalina do YSZ
Se você deseja estudar o desempenho do YSZ em profundidade, compreender primeiro sua estrutura cristalina será de grande ajuda para entender o desempenho do YSZ. O óxido de zircônio puro possui uma propriedade única de transição de fase. À temperatura ambiente, apresenta uma estrutura de fase monoclínica. À medida que a temperatura aumenta gradualmente, ele passa por duas transições de fase. Esse comportamento de transição de fase pode afetar sua aplicação.
À temperatura ambiente de -1170℃, o óxido de zircônio apresenta uma fase monoclínica (Monoclínica)
1170-2370℃, a zircônia apresenta fase tetragonal (Tetragonal)
A ＞2370℃, a zircônia exibe fase cúbica (cúbica)
Neste momento, a adição de óxido de ítrio pode estabilizar o mecanismo. O princípio é: ao introduzir Y2O3 na rede de zircônia, íons Y3+ substituirão alguns íons Zr4+ e, ao mesmo tempo, vacâncias de oxigênio serão geradas para manter o equilíbrio de carga.
Adicionar óxido de ítrio ajuda você a atingir dois objetivos importantes:
1. Preservação estável da estrutura da fase de alta temperatura à temperatura ambiente
2. Prevenir eficazmente a geração de estresse de mudança de fase prejudicial
Propriedades YSZ
O YSZ possui diversas propriedades superiores. Seja para alta resistência, alta temperatura ou inércia química, o YSZ pode atender às suas necessidades. Ao selecionar a especificação YSZ apropriada, recomendamos que você pondere cuidadosamente esses parâmetros de desempenho em relação à sua aplicação específica.
Propriedades Mecânicas
O YSZ possui excelentes propriedades mecânicas. Suas principais propriedades mecânicas são as seguintes:
Densidade:A densidade do YSZ é de 6,02 g/cc. A densidade relativamente moderada garante a resistência do material sem sobrecarregar o seu equipamento.
Dureza:O YSZ tem uma dureza Mohs de 8,5, é muito resistente ao desgaste e muito durável.
Resistência à flexão:O YSZ tem uma resistência à flexão de até 976 MPa (142.000 psi), permitindo que você o utilize em ambientes mecânicos extremamente adversos.
Resistência à fratura:A tenacidade à fratura do YSZ é muito superior, o que se deve principalmente ao seu mecanismo exclusivo de tenacidade por transformação de fase.
Propriedades térmicas
O YSZ é um material ideal para aplicações em altas temperaturas. Suas propriedades térmicas são as seguintes:
- Ponto de fusão: acima de 2700℃, o que significa que o YSZ pode ser usado em ambientes de temperaturas extremamente altas.
- Condutividade térmica: a condutividade térmica à temperatura ambiente é de 2,0-2,3 W/m·K, o que o torna um excelente material de isolamento térmico.
- Coeficiente de expansão térmica: 10,7-11,2 × 10-6/℃ (RT-900℃)
- Resistência ao choque térmico: o YSZ tem resistência ao choque térmico muito superior e pode suportar algumas mudanças rápidas de temperatura.
- Ponto de fusão: acima de 2700 ° C, tornando-o ideal para ambientes extremos
- Condutividade térmica: 2,0-2,3 W/m·K (temperatura ambiente), esta baixa condutividade térmica o torna um excelente isolante térmico
- Coeficiente de expansão térmica: 10,7-11,2 × 10^-6/°C (RT-900°C), este coeficiente moderado de expansão térmica ajuda a reduzir o estresse térmico
- Resistência ao choque térmico: excelente resistência ao choque térmico permite suportar mudanças rápidas de temperatura
Propriedades Químicas
As propriedades químicas do YSZ na indústria refletem-se principalmente na sua excelente estabilidade. É resistente à corrosão e à oxidação, não é facilmente corroído por ácidos e álcalis fortes e pode ser mantido estável em ambientes de oxidação de alta temperatura. Além disso, é biocompatível, tornando-o ideal para implantes médicos.
Essas características de desempenho fazem do YSZ a escolha ideal para suas aplicações exigentes. Seja para alta resistência, alta temperatura ou inércia química, o YSZ pode atender às suas necessidades. Ao selecionar a especificação YSZ apropriada, recomenda-se ponderar cuidadosamente esses parâmetros de desempenho com os requisitos específicos da sua aplicação.
Guia de seleção YSZ
Ao escolher YSZ, você precisa entender as características dos diferentes tipos e os cenários de aplicação adequados. De acordo com o teor de óxido de ítrio (Y2O3), o mercado de YSZ é dividido principalmente em três séries.
3mol% YSZ
3mol% YSZ é o produto de zircônia parcialmente estabilizada mais popular do mercado. É a primeira escolha para algumas aplicações estruturais de alto desempenho. A zircônia parcialmente estabilizada apresenta principalmente uma estrutura de fase tetragonal à temperatura ambiente. Suas principais propriedades mecânicas são as seguintes:
- Propriedades de flexão–1200 MPa
- Tenacidade à fratura–10 MPa·m1/2
- Resistente ao desgaste e ao impacto
- Se sua aplicação precisa suportar alto estresse e choques mecânicos frequentes, o 3mol% YSZ é sua escolha ideal.
5mol% YSZ
O 5mol% YSZ apresenta desempenho e processabilidade mais equilibrados, além de excelentes propriedades reológicas, excelentes propriedades de moldagem e boa atividade de sinterização.
Se o seu produto exige detalhes de processamento precisos e formas de processamento complexas, o excelente desempenho de processamento do 5mol% YSZ pode ajudá-lo a atingir seus objetivos de design.
5mol% YSZ é muito adequado para os seguintes processos:
- Processo de fundição em tiras
- Moldagem por injeção
- Fabricação de peças estruturais de precisão
8mol% YSZ
O 8mol% YSZ atinge a estabilização completa do óxido de zircônio e é um material ideal para aplicações condutoras de íons. Apresenta uma estrutura de fase cúbica pura à temperatura ambiente. A zircônia totalmente estabilizada é caracterizada por excelente condutividade de íons de oxigênio e excelente estabilidade em altas temperaturas.
Em algumas aplicações que exigem alta condutividade iônica, como células de combustível de óxido sólido, é a sua escolha ideal!
Aplicação de YSZ
Aplicações Industriais
No campo industrial, o YSZ possui uma ampla gama de aplicações e seu desempenho é excelente: resistência à corrosão, resistência ao desgaste, alta dureza, baixo atrito e alta tenacidade. Você pode encontrar as vantagens deste material nos seguintes cenários:
- Componentes do corpo da bomba
- Ferramentas de corte
- Sistema de válvulas
- Componentes de rolamentos
- Revestimento resistente ao desgaste
Área Médica
O YSZ possui boa biocompatibilidade e propriedades mecânicas, tornando-o uma escolha ideal para materiais de implantes
- Na odontologia, coroas e implantes totalmente cerâmicos são lindos e duráveis
- Em aplicações ortopédicas, é uma prótese articular de alta resistência e durabilidade
- Em equipamentos médicos, é um componente confiável de equipamentos médicos
Setor de Energia
Em aplicações de energia, o YSZ pode ser usado como eletrólito para células de combustível de óxido sólido (SOFCs), revestimentos de blindagem térmica para turbinas a gás e materiais de sensores de oxigênio para ambientes de alta temperatura.
Aeroespacial
Na indústria aeroespacial, o desempenho e a durabilidade do YSZ em altas temperaturas são muito importantes. Ele pode ser usado como um sistema de proteção térmica para peças quentes de motores e também pode ser encontrado em algumas peças estruturais de alta temperatura.
Conclusão
A zircônia estabilizada com ítria tem uma ampla gama de usos em todas as esferas da vida. Espero que você aprenda algo diferente lendo este artigo.
Saiba mais sobre materiais cerâmicos.