Là một chuyên gia, bạn có thể đã biết rằng zirconia ổn định yttria (YSZ) đóng vai trò không thể thiếu trong các vật liệu kỹ thuật hiện đại. Bạn có tò mò về YSZ không? Đọc bài viết này sẽ giúp bạn hiểu toàn diện về vật liệu này và giúp bạn đưa ra lựa chọn sáng suốt hơn cho ứng dụng vật liệu của mình!
Liên kết nhanh
- Zirconia ổn định Yttria (YSZ) là gì?
- Đặc điểm cấu trúc tinh thể YSZ
- Thuộc tính YSZ
- Hướng dẫn lựa chọn YSZ
- Ứng dụng của YSZ
Zirconia ổn định Yttria (YSZ) là gì?
YSZ được tạo ra bằng cách thêm một tỷ lệ cụ thể của yttri oxit vào zirconi oxit. Thành phần hóa học của nó chủ yếu bao gồm hai thành phần chính, cụ thể là zirconi oxit (ZrO2) làm chất nền và yttri oxit (Y2O3) làm chất ổn định. Theo Tùy thuộc vào nhu cầu ứng dụng của bạn, hàm lượng yttri oxit bổ sung thường nằm trong khoảng 3-8 mol%.
Trong lĩnh vực kỹ thuật, YSZ được biết đến với nhiều tên gọi, bao gồm:
Zirconia ổn định Yttria
Y2O3 ZrO2 ổn định
Zirconium Oxide ổn định Yttrium
Zirconium Oxide Yttria ổn định
Bất kể tên gọi nào được sử dụng, tất cả đều ám chỉ đến vật liệu YSZ.
Đặc điểm cấu trúc tinh thể YSZ
Nếu bạn muốn nghiên cứu sâu hơn về hiệu suất của YSZ, thì việc hiểu cấu trúc tinh thể của nó trước tiên sẽ giúp ích rất nhiều cho bạn trong việc hiểu hiệu suất của YSZ. Oxit zirconi tinh khiết có đặc tính chuyển pha độc đáo. Ở nhiệt độ phòng, nó thể hiện cấu trúc pha đơn nghiêng. Khi nhiệt độ tăng dần, nó sẽ trải qua hai quá trình chuyển pha. Hành vi chuyển pha này có thể ảnh hưởng đến ứng dụng của bạn.
Ở nhiệt độ phòng -1170℃, zirconium oxide thể hiện pha đơn nghiêng (Monoclinic)
1170-2370℃, zirconia thể hiện pha tứ giác (Tetragonal)
Ở ＞2370℃, zirconia thể hiện pha lập phương (Cubic)
Lúc này, thêm oxit yttri có thể ổn định cơ chế. Nguyên lý là: khi bạn đưa Y2O3 vào mạng tinh thể zirconia, các ion Y3+ sẽ thay thế một số ion Zr4+, đồng thời, các chỗ khuyết oxy sẽ được tạo ra để duy trì sự cân bằng điện tích.
Việc bổ sung oxit ytri giúp bạn đạt được hai mục tiêu quan trọng:
1. Bảo quản ổn định cấu trúc pha nhiệt độ cao ở nhiệt độ phòng
2. Ngăn ngừa hiệu quả sự phát sinh ứng suất thay đổi pha có hại
Thuộc tính YSZ
YSZ có nhiều đặc tính vượt trội. Cho dù bạn cần độ bền cao, khả năng chịu nhiệt độ cao hay tính trơ về mặt hóa học, YSZ đều có thể đáp ứng nhu cầu của bạn. Khi lựa chọn thông số kỹ thuật YSZ phù hợp, chúng tôi khuyên bạn nên cân nhắc cẩn thận các thông số hiệu suất này so với ứng dụng cụ thể của bạn.
Tính chất cơ học
YSZ có tính chất cơ học tuyệt vời. Tính chất cơ học chính của nó như sau:
Tỉ trọng:Mật độ của YSZ là 6,02 g/cc. Mật độ tương đối vừa phải đảm bảo độ bền của vật liệu mà không gây gánh nặng quá mức cho thiết bị của bạn.
Độ cứng:YSZ có độ cứng Mohs là 8,5, có khả năng chống mài mòn rất tốt và rất bền.
Sức mạnh uốn cong:YSZ có độ bền uốn lên tới 976 MPa (142.000 psi), cho phép bạn sử dụng trong môi trường cơ học cực kỳ khắc nghiệt.
Độ bền gãy:Độ bền gãy của YSZ rất vượt trội, chủ yếu là nhờ cơ chế tôi luyện chuyển pha độc đáo của nó.
Tính chất nhiệt
YSZ là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng nhiệt độ cao. Các tính chất nhiệt của nó như sau:
- Điểm nóng chảy: Trên 2700℃, điều này có nghĩa là YSZ có thể được sử dụng trong môi trường có nhiệt độ cực cao.
- Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng là 2,0-2,3 W/m·K, là vật liệu cách nhiệt tuyệt vời.
- Hệ số giãn nở nhiệt: 10,7-11,2 × 10-6/℃ (RT-900℃)
- Khả năng chống sốc nhiệt: YSZ có khả năng chống sốc nhiệt rất tốt và có thể chịu được một số thay đổi nhiệt độ nhanh chóng.
- Điểm nóng chảy: Trên 2700°C, lý tưởng cho môi trường khắc nghiệt
- Độ dẫn nhiệt: 2,0-2,3 W/m·K (nhiệt độ phòng), Độ dẫn nhiệt thấp này làm cho nó trở thành chất cách nhiệt tuyệt vời
- Hệ số giãn nở nhiệt: 10,7-11,2 × 10^-6/°C (RT-900°C)，Hệ số giãn nở nhiệt vừa phải này giúp giảm ứng suất nhiệt
- Khả năng chống sốc nhiệt: Khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời giúp chịu được những thay đổi nhiệt độ nhanh chóng
Tính chất hóa học
Tính chất hóa học của YSZ trong công nghiệp chủ yếu được phản ánh ở tính ổn định tuyệt vời của nó. Nó có khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa, không dễ bị ăn mòn bởi axit và kiềm mạnh, và có thể giữ ổn định trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, nó còn tương thích sinh học, làm cho nó trở nên lý tưởng cho cấy ghép y tế.
Những đặc điểm hiệu suất này làm cho YSZ trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe của bạn. Cho dù bạn cần độ bền cao, khả năng chịu nhiệt độ cao hay tính trơ về mặt hóa học, YSZ đều có thể đáp ứng nhu cầu của bạn. Khi lựa chọn thông số kỹ thuật YSZ phù hợp, bạn nên cân nhắc cẩn thận các thông số hiệu suất này với các yêu cầu ứng dụng cụ thể của mình.
Hướng dẫn lựa chọn YSZ
Khi bạn chọn YSZ, bạn cần hiểu đặc điểm của các loại khác nhau và các tình huống ứng dụng phù hợp. Theo hàm lượng yttri oxit (Y2O3), thị trường YSZ chủ yếu được chia thành ba loại.
3mol% YSZ
3mol% YSZ là sản phẩm zirconia ổn định một phần phổ biến nhất trên thị trường. Đây là lựa chọn đầu tiên cho một số ứng dụng kết cấu hiệu suất cao. Zirconia ổn định một phần chủ yếu có cấu trúc pha tứ giác ở nhiệt độ phòng. Các tính chất cơ học chính của nó như sau:
- Tính chất uốn cong – 1200 MPa
- Độ bền gãy – 10 MPa·m1/2
- Chống mài mòn và chống va đập
- Nếu ứng dụng của bạn cần chịu được ứng suất cao và va đập cơ học thường xuyên thì 3mol% YSZ là sự lựa chọn lý tưởng dành cho bạn.
5mol% YSZ
5mol% YSZ có hiệu suất và khả năng gia công cân bằng hơn. Nó có đặc tính lưu biến tuyệt vời, đặc tính đúc nổi bật và hoạt động thiêu kết tốt.
Nếu sản phẩm của bạn yêu cầu chi tiết gia công chính xác và hình dạng gia công phức tạp, hiệu suất gia công tuyệt vời của 5mol% YSZ có thể giúp bạn đạt được mục tiêu thiết kế tốt hơn.
5mol% YSZ rất phù hợp cho các quy trình sau:
- Quá trình đúc dải
- Ép phun
- Sản xuất linh kiện kết cấu chính xác
8mol% YSZ
8mol% YSZ đạt được sự ổn định hoàn toàn của oxit zirconium và là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng dẫn ion. Nó thể hiện cấu trúc pha lập phương tinh khiết ở nhiệt độ phòng. Zirconia ổn định hoàn toàn được đặc trưng bởi độ dẫn ion oxy tuyệt vời và độ ổn định nhiệt độ cao vượt trội.
Trong một số ứng dụng đòi hỏi độ dẫn ion cao như pin nhiên liệu oxit rắn, đây chính là sự lựa chọn lý tưởng của bạn!
Ứng dụng của YSZ
Ứng dụng công nghiệp
Trong lĩnh vực công nghiệp, YSZ có phạm vi ứng dụng rộng rãi và hiệu suất tuyệt vời: chống ăn mòn, chống mài mòn, độ cứng cao, ma sát thấp và độ bền cao. Bạn có thể tìm thấy những ưu điểm của vật liệu này trong các tình huống sau:
- Các thành phần thân bơm
- Dụng cụ cắt
- Hệ thống van
- Linh kiện ổ trục
- Lớp phủ chống mài mòn
Lĩnh vực y tế
YSZ có tính tương thích sinh học và tính chất cơ học tốt, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho vật liệu cấy ghép
- Trong nha khoa, đó là mão răng sứ và implant đẹp và bền
- Trong các ứng dụng chỉnh hình, đây là một loại khớp giả có độ bền cao và độ bền cao
- Trong thiết bị y tế, nó là một thành phần thiết bị y tế đáng tin cậy
Ngành năng lượng
Trong ứng dụng năng lượng, YSZ có thể được sử dụng làm chất điện phân cho pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), lớp phủ chắn nhiệt cho tua bin khí và vật liệu cảm biến oxy cho môi trường nhiệt độ cao.
Hàng không vũ trụ
Trong hàng không vũ trụ, hiệu suất và độ bền ở nhiệt độ cao của YSZ rất quan trọng. Nó có thể được chế tạo thành hệ thống bảo vệ nhiệt cho các bộ phận nóng của động cơ và cũng có thể được nhìn thấy trong một số bộ phận kết cấu chịu nhiệt độ cao.
Phần kết luận
Zirconia ổn định bằng yttria có nhiều ứng dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Tôi hy vọng bạn sẽ có được điều gì đó khác biệt khi đọc bài viết này.
Tìm hiểu thêm về vật liệu gốm.