کاربردهای پودر زیرکونیای پایدارشده با ایتریا (YSZ)

برای استفاده از YSZ در کاربردهای مختلف صنعتی، درنظرگرفتن دو فاکتور مهم مقدار ایتریا و دمای زینتر حائز اهمیت است. تاکنون این ماده در صنایع پوشش‌های سد حرارتی (TBC)، پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFC) و بیومواد‌ها، با استقبال زیادی مواجه شده است. با این حال، محدودیت‌ها و چالش‌هایی همچنان وجود دارد و این امر امکان افزایش و بهبود خواص YSZ را برای عملکرد بهتر ایجاد می‌کند. حفظ یک فاز خاص برای این ماده در دمای اتاق، به این ماده اجازه می‌دهد تا نقش خاصی را در صنعت ایفا کند. کاربردهای این ماده در صنایع مختلف، با حفظ فاز مرتبط هستند که فراتر از تبدیل فاز طبیعی زیرکونیا نسبت به دما است. در این مطالعه، اصول کار YSZ در صنایع توضیح داده شده و ارائه شده است.

کاربرد YSZ در پوشش‌های سد حرارتی (TBC)

پوشش‌های سد حرارتی (TBC)، به یک لایه عایق حرارتی به‌منظور محافظت از ماده اصلی (مواد پایه) در دمای عملیاتی بالا و محیط خوردگی گرم اشاره دارد. این پوشش‌ها معمولا در صنایع سنگین مانند هواپیما، خودرو، تجهیزات دریایی (مولد برق) کاربرد دارد. به منظور محافظت و ایمن‌سازی مواد پایه و افزایش بیشتر طول عمر دستگاه و سیستم، TBC یکی از گزینه‌های مناسب مورد استفاده است. شکل1، ساختار و عملکرد سیستم پوشش سد حرارتی را نشان می‌دهد. این پوشش‌ها از یک لایه سطحی یا پوشش بالایی (TC) برای تشکیل یک لایه پوشش میانی (BC) تشکیل شده است. در بین این دو لایه، یک لایه نازک به نام اکسید رشدیافته حرارتی (TGO) به دلیل اکسیداسیون دمابالای پوشش میانی تشکیل می‌شود. این سه لایه به عنوان پوششی برای محافظت از مواد پایه در برابر محیط‌های خدماتی شدید عمل می‌کنند.

YSZ یکی از مواد سرامیکی رایج برای تشکیل لایه TC است و لایه BC از انواع مختلف مواد فلزی ساخته شده است. این امر به دلیل خواص حرارتی مانند هدایت حرارتی کم و ضریب انبساط حرارتی بالای این ماد سرامیکی است. نقش اصلی لایه BC، ایجاد چسبندگی با TC و سپس محافظت از ماده پایه در برابر اکسیداسیون است. بسیاری از تحقیقات نشان داده‌اند که زیرکونیای پایدارشده با ایتریا (8-6 درصد مولی)، خواص حرارتی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد. فازهای موجود در زیرکونیای پایدارشده با ایتریا در این کاربرد، معمولا شامل تتراگونال و مکعبی است و یا هر دو فاز همزمان وجود دارند.

محدودیت و راه‌حل

اگرچه YSZ یک ماده اثبات‌شده برای تشکیل TC است، تخریب این لایه، یکی از بزرگترین چالش‌ها به‌سشمار می‌رود و مکانیسم‌های اصلی شکست آن شامل تنش پسماند، خوردگی داغ، اکسیداسیون و تبدیل فاز است. همه این عوامل باعث کوتاه‌شدن طول عمر TBC می‌شود. دوام TBC به کیفیت بالای استحکام چسبندگی و هدایت حرارتی پایین عایق در دمای بالا اشاره دارد. با ازبین‌رفتن این دو قابلیت، TBC در شرایط سخت عملیاتی از کار می‌افتد و مکانیسم‌های خرابی مذکور، TBC را تخریب می‌کنند.

تبدیل فاز می‌تواند از طریق تبدیل تتراگونال به مونوکلینیک منجر به تخریب TBC شود، زمانی که گرادیان حرارتی در طول عملیات ایجاد می‌شود. این به دلیل نفوذ اکسیژن به لایه پوششی واسطه و انجام واکنش شیمیایی با YSZ رخ می‌دهد. از آنجایی که یون اکسیژن یکی از عوامل پایداری فاز تتراگونال با ایجاد پیوند شیمیایی با یون زیرکونیوم است، کاهش میزان یون مستقیما فاز تتراگونال را ناپایدار می‌کند. علاوه بر این، خنک‌شدن TBC نیز به تغییر فاز کمک می‌کند، زیرا این ویژگی طبیعی زیرکونیا است. تحقیقات مختلفی برای غلبه بر چالش‌های TBC برای افزایش طول عمر انجام شده است و یکی از روش‌های رایج استفاده از ناخالصی است. هنگام دوپینگ هم‌زمان Yb₂O₃-Gd₂O₃-Y₂O₃ همراه با ZrO₂ (YGYZ)، فاز تتراگونال می‌تواند 40 درصد در مقایسه با YSZ دوپ‌نشده حفظ شود.

کاربرد YSZ در سلول‌های سوختی اکسید جامد (SOFC)

سلول سوختی اکسید جامد (SOFC)، برای تامین انرژی سازگار با محیط زیست توجه زیادی را به خود جلب کرده است. یکی از مزایای اصلی SOFC، تولید نیرو از هیدروژن، گاز طبیعی و سایر سوخت‌های تجدیدپذیر است. بر اساس شکل2، واکنش SOFC را می توان با معادله شیمیایی زیر توضیح داد:

آند:

معادله1:                                                                                                  H₂+O^2-→H₂O+2e^–

معادله2:                                                                                                CO₂+2e^– CO+O^2-→

کاتد:

O₂+2e^–→2O^2-

با سوزاندن سوخت (هیدروژن یا هیدروکربن) به عنوان ورودی روی آند، غلظت اکسیژن مطابق معادلات 1 و 2، از محیط اطراف (هوا)، مصرف خواهد شد. الکترون‌ها از طریق مدارهای خارجی برای کاربردهای صنعتی منتقل می‌شوند. در همین حال مطابق معادله3، اکسیژن در سمت کاتد با الکترون منتقل‌شده واکنش می‌دهد و یون اکسیژن تولید می‌کند. کل عملیات باید در دمای عملیاتی بالا بین 1000-800 درجه سانتیگراد انجام شود. این عملیات تبدیل، تا حد زیادی انتشار گاز (گرما) را کاهش می‌دهد که آلودگی هوا را برای محیط‌زیست به دنبال دارد.

زیرکونیای پایدارشده با ایتریا، یکی از موادی است که به عنوان ماده الکترولیت جامد برای SOFC مورد استفاده قرار می‌گیرد. YSZ8، دارای ویژگی‌های غلظت بالای جای خالی یون اکسیژن است که به دلیل 8 درصد مولی ایتریا قادر به حفظ فاز مکعبی (c-YSZ) زیرکونیا است که امکان اثربخشی و کارایی SOFC را فراهم می‌کند و بالاترین غلظت جاهای خالی یون اکسیژن را در مقایسه با دیگر فاز زیرکونیا ایجاد می‌کند.

محدودیت و راه‌حل

با این حال، استفاده از YSZ8 به عنوان الکترولیت SOFC، با محدودیت‌هایی همراه است که برای فعال‌کردن SOFC برای رسیدن به رسانایی یونی بالا، نیاز به دمای عملیاتی بالا است. در چنین محیط عملیاتی، اجزای SOFC ممکن است با انبساط و انقباض حرارتی مواجه شوند و پایداری سلول را کاهش دهند. به‌منظور بهبود این مشکل، می‌توان به‌جای استفاده از روش زینترینگ معمولی، از فلش زینترینگ استفاده کرد. همچنین استفاده از ناخالصی نیز به استراتژی دیگری برای افزایش رسانایی یونی 8YSZ تبدیل شده است. ناخالصی اکسید آهن (Fe₂O₃) نتیجه رضایت‌بخشی را با افزایش هدایت یونی ایجاد کرده است. از طرف دیگر، استفاده از کمک‌زینترهایی مانند CuO، TiO₂ و Bi₂O₃ نیز، به مواد سرامیکی کمک می‌کند تا در دمای زینتر پایین‌تر به چگالی کامل برسند، بدون اینکه رسانایی یونی را به خطر بیندازند.

کاربرد YSZ در بیومواد

همان‌طور که گفته شد، میزان پایدارکننده ایتریا تعیین‌کننده ماندگاری فاز زیرکونیا (مونوکلینیک، تتراگونال یا مکعبی) در YSZ است و پلی‌کریستال زیرکونیای تتراگونال حاوی 3 درصد مولی ایتریا (Y-TZP3)، یکی از مواد سرامیکی است که به عنوان بیومواد مورد استقبال خوبی قرار گرفته است. در بین هر سه فاز زیرکونیا، فاز تتراگونال استحکام سختی و چقرمگی شکست بالایی را از خود نشان می‌دهد. علاوه بر این، زیرکونیا از زیست‌سازگاری خوبی نیز برخوردار است که آن را برای کاشت استخوان و بافت بسیار مفید می‌سازد. چقرمگی شکست بالا توسط پدیده‌ای به نام تبدیل چقرمگی ناشی از تنش نسبت داده می‌شود. مطابق شکل3، این مکانیسم زمانی اتفاق می‌افتد که ترک بر روی سطح Y-TZP3 ایجاد شده و تتراگونال ناپایدار به مونوکلینیک تبدیل می‌شود و این تغییر شکل، چقرمگی ماده را افزایش می‌دهد.

محدودیت‌ و راه‌حل

Y-TZP3 یا پلی‌کریستال YSZ با ساختار زیرکونیای تتراگونال حاوی 3 درصد مولی ایتریا، با محدودیت‌هایی همراه است و رایج‌ترین آن، تخریب دمای پایین (LTD) است. این پدیده‌ای است که در آن این ماده در معرض رطوبت یا محیط مرطوب (آب یا بخار آب) در دمای بین 400-65 درجه سانتیگراد قرار می‌گیرد که معمولا برای کاربردهای بیومواد است. چنین شرایطی امکان تبدیل فاز از تتراگونال به مونوکلینیک را در سطح ماده فراهم و سپس ترک بین دانه‌ای ایجاد می‌کند. دلیل این امر این است که فاز تتراگونال Y-TZP3 در دمای اتاق حالتی شبه‌پایدار دارد و تبدیل به فاز مونوکلینیک که پایدارترین فاز زیرکونیا در دمای اتاق است، به‌راحتی در چنین محیطی انجام می‌شود. هنگامی که فاز مونوکلینیک اشباع و بر میکروساختار ماده غالب شد، خواص مکانیکی نیز کاهش می‌یابد.

با توجه به خواص مکانیکی مناسب مواد سرامیکی، معمولا از این مواد در صنعت بیومواد برای بهبود ساختار مکانیکی محصول استفاده می‌شود. علاوه بر خواص مذکور، Y-TZP3 از دیگر معیارهای مواد بیوسرامیک شامل مقاومت در برابر خوردگی، سایش بالا و زیبایی نیز برخوردار است.

یکی از روش‌های رایج برای برطرف‌کردن این محدودیت نیز، استفاده از ناخالصی‌ها است. به عنوان مثال دوپینگ همزمان CaO و CeO₂ و یا اکسیدهای فلزی واسطه مانند اکسید مس (CuO)، اکسید گرافن (GO) با به تاخیرانداختن تبدیل فاز، مقاومت LTD خوبی از خود نشان داده و سپس تخریب خواص مکانیکی را به حداقل می‌رسانند. همچنین شرایط زینتر که شامل دما و زمان نگهداری زینتر است، نیز نقش حیاتی در بهبود مقاومت LTD  ماده Y-TZP3 ایفا می‌کند.