zirconia estabilizada con itria

La zirconia estabilizada con itria ( YSZ ) es una cerámica en la que la estructura cristalina cúbica del dióxido de circonio se estabiliza a temperatura ambiente mediante la adición de óxido de itrio _. Estos óxidos se denominan comúnmente "zirconia" ( Zr₂O₃ ) e " _itria " ( Y₂O₃ ₎ , de ahí su nombre.

El dióxido de circonio puro experimenta una transformación de fase de monoclínica (estable a temperatura ambiente) a tetragonal (a unos 1173  °C) y luego a cúbica (a unos 2370  °C), según el esquema

monoclínico (1173  °C) ↔ tetragonal (2370  °C) ↔ cúbico (2690  °C) ↔ fundido.

Durante estas transformaciones, la zirconia puede experimentar una expansión de volumen de hasta un 5-6%. ^{[ 1 ]} Este cambio puede inducir tensiones internas, lo que lleva a agrietamiento o fractura en los materiales cerámicos . ^{[ 2 ]}

La obtención de productos cerámicos de zirconia sinterizada estables es difícil debido al gran cambio de volumen, de aproximadamente el 5 %, que acompaña a la transición de tetragonal a monoclínica. La estabilización del polimorfo cúbico de la zirconia en un rango de temperaturas más amplio se logra mediante la sustitución de algunos de los iones Zr⁴⁺ ⁽ radio iónico de 0,82  Å, demasiado pequeño para la red ideal de fluorita característica de la zirconia cúbica) en la red cristalina por iones ligeramente más grandes, por ejemplo, los de Y³⁺ ⁽ radio iónico de 0,96  Å). Los materiales de zirconia dopada resultantes se denominan zirconias estabilizadas . ^{[ 3 ]}

Los materiales relacionados con YSZ incluyen zirconias estabilizadas con calcia , magnesia , ceria o alúmina , o zirconias parcialmente estabilizadas (PSZ). La zirconia estabilizada con hafnia tiene una conductividad térmica aproximadamente un 25 % menor , lo que la hace más adecuada para aplicaciones de barrera térmica . ^{[ 4 ]}

Aunque se sabe que el 8–9 % molar de YSZ no se estabiliza completamente en la fase cúbica pura de YSZ hasta temperaturas superiores a 1000 °C. ^{[ 5 ]}  

Las abreviaturas que se utilizan habitualmente en relación con la zirconia estabilizada con itria son:

• Zirconia parcialmente estabilizada ZrO ₂ :
  • PSZ – zirconia parcialmente estabilizada
  • TZP – policristal de zirconia tetragonal
  • 4YSZ: con 4  % molar de Y₂O₃ , _{ZrO₂ parcialmente} estabilizado , zirconia estabilizada con _itria
• Zirconias totalmente estabilizadas ZrO ₂ :
  • FSZ – zirconia totalmente estabilizada
  • CSZ – circonita cúbica estabilizada
  • 8YSZ – con 8  % molar de Y₂O₃ _{, ZrO₂} totalmente estabilizado _.
  • 8YDZ – ZrO₂ dopado con 8–9 _{mol %} de  Y₂O₃ _: el material no está completamente estabilizado y se descompone a altas temperaturas de aplicación, véanse los siguientes párrafos ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} )

Los coeficientes de expansión térmica dependen de la modificación de la zirconia de la siguiente manera:

• Monoclínico: 7 x 10 ⁻⁶ /K ^{[ 8 ]}
• Tetragonal: 12 x 10 ⁻⁶ /K ^{[ 8 ]}
• Y2O3 estabilizado ^{: 10,5} x 10⁻⁶ / K _[ ^{8 ]}_​

Mediante la adición de itria a zirconia pura (por ejemplo, YSZ totalmente estabilizada), los iones Y ³⁺ reemplazan a los Zr ⁴⁺ en la subred catiónica. De este modo, se generan vacantes de oxígeno debido a la neutralidad de carga: ^{[ 9 ]}

${\displaystyle {\text{Y}}_{2}{\text{O}}_{3}\to 2{\text{Y}}_{\text{Zr}}'+3{\text{O}}_{\text{O}}^{\text{x}}+{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }{\text{ con }}[{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }]={\frac {1}{2}}[{\text{Y}}_{\text{Zr}}'],}$

Esto significa que dos iones Y³⁺ ^generan una vacante en la subred aniónica. Esto facilita una conductividad moderada de la zirconia estabilizada con itrio para los iones O²⁻ ⁽ y, por lo tanto, una conductividad eléctrica) a temperaturas elevadas. Esta capacidad de conducir iones O²⁻ ^hace que la zirconia estabilizada con itrio sea idónea para su aplicación como electrolito sólido en pilas de combustible de óxido sólido.

_{Para bajas concentraciones de dopante, la conductividad iónica de las zirconias estabilizadas} aumenta con el contenido creciente de Y₂O₃ . _Tiene un máximo alrededor de 8–9 mol% casi independiente de la temperatura (800–1200 °C). ^{[ 3 ] [ 5 ]} Desafortunadamente, 8–9 mol% YSZ (8YSZ, 8YDZ) también resultó estar situado en el campo de 2 fases (c+t) del diagrama de fases de YSZ a estas temperaturas, lo que causa la descomposición del material en regiones enriquecidas y empobrecidas en Y a escala nanométrica y, en consecuencia, la degradación eléctrica durante la operación. ^{[ 6 ]} Los cambios microestructurales y químicos a escala nanométrica están acompañados por la drástica disminución de la conductividad de iones de oxígeno de 8YSZ (degradación de 8YSZ) de aproximadamente 40% a 950 °C dentro de 2500 horas. ^{[ 7 ]} Los rastros de impurezas como Ni, disueltos en el 8YSZ, por ejemplo, debido a la fabricación de celdas de combustible, pueden tener un impacto severo en la tasa de descomposición (aceleración de la descomposición inherente del 8YSZ en órdenes de magnitud) de tal manera que la degradación de la conductividad incluso se vuelve problemática a bajas temperaturas de operación en el rango de 500–700 °C. ^{[ 10 ]}      

En la actualidad, se utilizan cerámicas más complejas, como la zirconia codopada (por ejemplo, con escandia), como electrolitos sólidos.

YSZ tiene varias aplicaciones:

• Por su dureza e inercia química (por ejemplo, coronas dentales ).
• Como material refractario (por ejemplo, en motores a reacción).
• Como recubrimiento de barrera térmica en turbinas de gas .
• Como material electrocerámico debido a sus propiedades conductoras de iones (por ejemplo, para determinar el contenido de oxígeno en los gases de escape, para medir el pH en agua a alta temperatura, en pilas de combustible).
• Utilizado en la producción de una celda de combustible de óxido sólido (SOFC). El YSZ se utiliza como electrolito sólido , que permite la conducción de iones de oxígeno a la vez que bloquea la conducción electrónica. Para lograr una conducción iónica suficiente, una SOFC con un electrolito de YSZ debe operar a altas temperaturas (800–1000  °C). ^{[ 11 ]} Si bien es ventajoso que el YSZ conserve su robustez mecánica a esas temperaturas, la alta temperatura necesaria suele ser una desventaja de las SOFC. La alta densidad del YSZ también es necesaria para separar físicamente el combustible gaseoso del oxígeno; de lo contrario, el sistema electroquímico no produciría energía eléctrica. ^{[ 12 ] [ 13 ]}
• Por su dureza y propiedades ópticas en forma monocristalina (véase " circonita cúbica "), se utiliza en joyería.
• Como material para hojas de cuchillos no metálicas , producidas por las empresas Boker y Kyocera.
• Pastas acuosas para cerámica y cementos de uso doméstico. Contienen fibras microscópicas de YSZ molidas o partículas submicrométricas, a menudo con aglutinantes de silicato de potasio y acetato de circonio (a pH ligeramente ácido). La cementación se produce al eliminar el agua. El material cerámico resultante es apto para aplicaciones a muy altas temperaturas.
• El YSZ dopado con materiales de tierras raras puede actuar como fósforo termográfico y material luminiscente. ^{[ 14 ]}
• Históricamente se utilizaba para las varillas incandescentes de las lámparas de Nernst .
• Como recubrimiento de alta temperatura, producido por ZYP Coatings, Inc.
• Como manguito de alineación de alta precisión para férulas de conectores de fibra óptica. ^{[ 15 ]}
• YSZ es una capa amortiguadora común para el crecimiento epitaxial de metales y óxidos sobre silicio. ^{[ 16 ]}

• zirconia cúbica – Forma cristalina cúbica del dióxido de circonio 
• Sinterización : Proceso de formación y unión de materiales mediante calor o presión. 
• Cable superconductor : cables que presentan resistencia cero. 

• Green, DJ; Hannink, R.; Swain, MV (1989). Endurecimiento por transformación de cerámicas . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2.