Yttria-stabilisert zirkonia

Yttria-stabilisert zirkonia (YSZ) er en keramikk der den kubiske krystallstrukturen av zirkoniumdioksid som gjøres stabil ved romtemperatur ved tilsetning av yttriumoksid. Disse oksidene kalles ofte "zirkonia" (ZrO2) og "yttria" (Y2O3), derav navnet.

Stabilisering 
Rent zirkoniumdioksid gjennomgår en faseomdannelse fra monoklin (stabil ved romtemperatur) til tetragonal (ved ca. 1173 °C) og deretter til kubisk (ved ca. 2370 °C), i henhold til skjemaet:

monoklin  (1173 °C) ↔ tetragonal (2370 °C) ↔ kubisk (2690 °C) ↔ smeltet

Å skaffe stabile sintrede zirkoniumoksid keramiske produkter er vanskelig på grunn av den store volumendringen som følger med overgangen fra tetragonal til monoklinisk (ca. 5% endring). Stabilisering av den kubiske polymorfen av zirkoniumdioksid over et større temperaturområde oppnås ved å erstatte noen av Zr4+ -ionene (ionradius på 0,82 Å, som er for liten for ideell gitter av fluoritt som er karakteristisk for kubisk zirkoniumdioksid) i krystallgitteret med litt større ioner f.eks. de med Y3+ (ionisk radius på 0,96 Å). De resulterende dopede zirkoniumdioksidmaterialene kalles stabiliserte zirkonier.

Materialer relatert til YSZ inkluderer kalsium-, magnesium-, cerium- eller aluminiumoksid stabiliserte zirkonier eller delvis stabiliserte zirkonier (PSZ). Hafnia stabilisert Zirconia er også kjent.

Selv om det er kjent at 8-9 mol% YSZ ikke er helt stabilisert i den rene kubiske YSZ-fasen opp til temperaturer over 1000 °C.

Vanlige forkortelser i forbindelse med yttria-stabilisert zirkoniumdioksid er:

 Delvis stabilisert zirkonia ZrO2: 
 PSZ - Delvis stabilisert zirkonia
 TZP -Tetragonal Zirconia Polycrystal
 4YSZ: med 4 mol-% Y2O3 delvis stabilisert ZrO2, Yttria stabilisert Zirconia
 Fullt stabiliserte zirkonier ZrO2: 
 FSZ - Fullt stabilisert Zirconia
 CSZ - Cubic Stabilized Zirconia
 8YSZ - med 8 mol% Y2O3 fullt stabilisert ZrO2
 8YDZ - 8–9 mol% Y2O3-dopet ZrO2: på grunn av at materialet ikke er helt stabilisert og nedbrytes ved høye påføringstemperaturer.

Ionisk ledningsevne til YSZ og dens nedbrytning 
Ved tilsetning av yttria til ren zirkoniumdioksid (f.eks. Fullstabilisert YSZ) erstatter Y3+ -ioner Zr4+ på det kationiske undergitteret. Dermed genereres oksygen vakans på grunn av ladningsnøytralitet:
              med          ,

som betyr at to Y3+ -ioner genererer en ledig vakans på det anioniske undergitteret. Dette letter moderat ledningsevne for yttriumstabilisert zirkoniumoksid for O2--ioner (og dermed elektrisk ledningsevne) ved forhøyet og høy temperatur. Denne evnen til å lede O2--ioner gjør yttria-stabilisert zirkoniumoksid godt egnet for påføring som fast elektrolytt i faste oksidbrenselceller.

For lave doping konsentrasjoner øker den ioniske ledningsevnen til de stabiliserte zirkoniene med økende Y2O3-innhold. Den har maksimalt rundt 8–9 mol% nesten uavhengig av temperaturen (800–1200 °C). Dessverre viste 8-9 mol% YSZ (8YSZ, 8YDZ) seg å ligge i 2-fasefeltet (c + t) i YSZ-fasediagrammet ved disse temperaturene, noe som fører til at materialet spaltes til Y-beriket og utarmet regioner på nm-skalaen og følgelig elektrisk nedbrytning under drift. De mikrostrukturelle og kjemiske endringene på nm-skalaen er ledsaget av den drastiske reduksjonen av oksygen-ion-ledningsevnen til 8YSZ (nedbrytning av 8YSZ) på omtrent 40% ved 950 °C innen 2500 timer. Spor av urenheter som Ni, oppløst i 8YSZ, f.eks. På grunn av brenselcellefabrikasjon, kan ha en alvorlig innvirkning på nedbrytningshastigheten (akselerasjon av iboende nedbrytning av 8YSZ etter størrelsesorden) slik at nedbrytningen av ledningsevne til og med blir problematisk ved lave driftstemperaturer i området 500–700 °C.

Referanser 

Zirkoniumforbindelser
Elektrokjemi