الخصائص المتنوعة والتطبيقات الواسعة لأكسيد اليتريوم

أكسيد الإيتريوم (Y2O3) هو أكسيد أرضي نادر مهم، يظهر على شكل مسحوق أبيض أو أصفر قليلاً. يتمتع هذا النوع من أشباه الهيدرات الأرضية النادرة من النوع C ببنية مكعبة مركزية فريدة وغير قابلة للذوبان في الماء والقلويات ولكنها قابلة للذوبان في الأحماض. في الهواء، يمتص بسهولة ثاني أكسيد الكربون والماء، وبالتالي يتطلب تخزينًا محكمًا لمنع التدهور.
الكتلة المولية لأكسيد الإيتريوم هي 282 جم/مول، وكثافته 0.1 جم/سم³. لا تتمتع هذه المادة فقط بنقطة انصهار تصل إلى 2410 درجة مئوية ونقطة غليان تبلغ 4300 درجة مئوية، مما يدل على ثبات حراري ممتاز. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر أكسيد الإيتريوم أداءً متميزًا في كل من الجوانب الفيزيائية والكيميائية، مع مقاومة ممتازة للتآكل. تصل الموصلية الحرارية إلى 27 واط/(متر·كلفن) عند 300 كلفن، أي ما يقرب من ضعف تلك الموجودة في عقيق الإيتريوم والألومنيوم، مما يمنحه مزايا كبيرة عند استخدامه كوسط عمل ليزر.
علاوة على ذلك، يتمتع أكسيد الإيتريوم بنطاق شفافية بصرية واسع، من 29 ميكرومتر إلى 8 ميكرومتر، مع نفاذية نظرية تتجاوز 80٪ في منطقة الضوء المرئي. عند 1050 نانومتر، يبلغ معامل انكساره 89، مما يوفر شفافية عالية. تعمل خصائصه منخفضة الفونون، مع أقصى تردد قطع للفونون يبلغ حوالي 550 سم⁻¹، على قمع الانتقالات غير الإشعاعية بشكل فعال وزيادة احتمالات الانتقال الإشعاعي، وبالتالي تعزيز كفاءة الكم للإضاءة. تحت 2200 درجة مئوية، يظل Y2O3 في الطور المكعب، بدون انكسار مزدوج، وعند 1050 نانومتر، يبلغ معامل انكساره 89. ومع ذلك، عندما تتجاوز درجة الحرارة 2200 درجة مئوية، فإنه يتحول إلى الطور السداسي.
علاوة على ذلك، فإن فجوة الطاقة لـ Y2O3 واسعة جدًا، حيث تصل إلى 5 إلكترون فولت. تقع شوائب أيون الإضاءة الأرضية النادرة ثلاثية التكافؤ بدقة بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل لـ Y2O3، وفوق مستوى فيرمي، مما يشكل مراكز إضاءة منفصلة. كمادة مصفوفة، يمكن لـ Y2O3 استيعاب تركيزات عالية من شوائب أيونات الأرض النادرة ثلاثية التكافؤ وتحل محل أيونات Y3+ بشكل فعال دون التسبب في تغييرات هيكلية.
تطبيقات أكسيد الإيتريوم:
يتمتع أكسيد الإيتريوم بتطبيقات واسعة في مختلف المجالات. على سبيل المثال، يمكن استخدامه لتجميع مسحوق الزركونيا المستقر بالإيتريوم. تخضع ZrO2 النقية لتحول في الطور أثناء التبريد في درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى تمدد الحجم. ومع ذلك، من خلال تثبيت تحول الطور t→m إلى درجة حرارة الغرفة، يمكن استخدام تحول الطور الناتج عن الإجهاد لامتصاص طاقة الكسر، وبالتالي تعزيز صلابة الكسر ومقاومة التآكل للمادة.
لتحقيق تصلب تحول الطور للزركونيا، تكمن الأهمية في إضافة مثبتات مناسبة ومن خلال ظروف تلبيد محددة، وتثبيت الطور المستقر - الطور الرباعي إلى درجة حرارة الغرفة. وبالتالي، يمكن تحقيق تحول الطور الرباعي في درجة حرارة الغرفة، مما يعزز استقرار الزركونيا. من بين المثبتات المختلفة، جذب Y2O3 الكثير من الاهتمام البحثي نظرًا لخصائصه الفائقة. باستخدام الزركونيا المستقرة بـ Y2O3، تُظهر مادة Y-TZP الملبدة خصائص ميكانيكية ممتازة في درجة حرارة الغرفة، بما في ذلك القوة العالية، وصلابة الكسر الممتازة، وحجم الحبيبات الدقيقة والموحدة. هذه الخصائص تجعل مادة Y-TZP تبرز في العديد من التطبيقات وتجذب الكثير من الاهتمام.
في عملية تلبيد السيراميك الخاص، تلعب عوامل التدفق دورًا حاسمًا. وظائفها متنوعة، وتشمل عادةً تكوين محاليل صلبة مع المادة الملبدة، وإعاقة تحول الطور البلوري، وتثبيط نمو الحبيبات، وتوليد أطوار سائلة. مع أخذ تلبيد الألومينا كمثال، غالبًا ما يستخدم أكسيد المغنيسيوم (MgO) كمثبت للبنية الدقيقة. يمكنه تنقية الحبيبات، وتقليل الفرق في طاقة حدود الحبيبات بشكل كبير، وبالتالي إضعاف التباين في نمو الحبيبات وتثبيط نمو الحبيبات غير المستمر. ومع ذلك، نظرًا لتقلب MgO العالي في درجات الحرارة المرتفعة، لضمان أفضل تأثير، يُنظر عادةً في خلط أكسيد الإيتريوم (Y2O3) مع MgO. لا يساعد إضافة Y2O3 فقط في زيادة تنقية الحبيبات فحسب، بل يعزز أيضًا التكثيف أثناء عملية التلبيد.