De diverse eigenschappen en uitgebreide toepassingen van yttriumoxide

Yttriumoxide (Y2O3) is een belangrijk zeldzaam aardoxide, dat een witte of licht gelig poederachtige verschijning heeft. Dit type C-type zeldzame aarde hemihydraat heeft een unieke body-centered kubische structuur en is onoplosbaar in water en alkaliën, maar oplosbaar in zuren. In de lucht absorbeert het gemakkelijk koolstofdioxide en water, waardoor het verzegeld bewaard moet worden om verslechtering te voorkomen.
De molaire massa van yttriumoxide is 282 g/mol en de dichtheid is 0,1 g/cm³. Dit materiaal heeft niet alleen een smeltpunt van maximaal 2410°C en een kookpunt van 4300°C, wat een uitstekende thermische stabiliteit aantoont. Bovendien vertoont yttriumoxide uitstekende prestaties in zowel fysieke als chemische aspecten, met een uitstekende corrosiebestendigheid. De thermische geleidbaarheid bereikt 27 W/(m·K) bij 300K, ongeveer twee keer die van yttriumaluminiumgranaat, wat het aanzienlijke voordelen geeft bij gebruik als lasermedium.
Verder heeft yttriumoxide een breed optisch transparantiebereik, van 29 μm tot 8 μm, met een theoretische transmissie van meer dan 80% in het zichtbare lichtgebied. Bij 1050 nm is de brekingsindex zo hoog als 89, wat een hoge transparantie biedt. De lage phonon-energie-eigenschappen, met de maximale phonon-afsnijfrequentie van ongeveer 550 cm⁻¹, onderdrukken effectief niet-stralende overgangen en verhogen de stralings overgangswaarschijnlijkheden, waardoor de luminescentie-kwantumefficiëntie wordt verbeterd. Onder 2200°C blijft Y2O3 in de kubische fase, zonder dubbele breking, en bij 1050 nm is de brekingsindex 89. Wanneer de temperatuur echter hoger is dan 2200°C, transformeert het in de hexagonale fase.
Bovendien is de energie gap van Y2O3 zeer breed, en bereikt 5 eV. De driewaardige zeldzame aarde luminescerende ion-dopanten bevinden zich precies tussen de valentieband en de geleidingsband van Y2O3, en boven het Fermi-niveau, waardoor discrete luminescerende centra worden gevormd. Als matrixmateriaal kan Y2O3 hoge concentraties driewaardige zeldzame aarde ionen doping accommoderen en effectief Y3+ ionen vervangen zonder structurele veranderingen te veroorzaken.
Toepassingen van yttriumoxide:
Yttriumoxide heeft wijdverspreide toepassingen in verschillende gebieden. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om yttrium-gestabiliseerd zirconia-poeder te synthetiseren. Zuiver ZrO2 ondergaat een fase-transformatie tijdens afkoeling bij hoge temperaturen, wat resulteert in volumevergroting. Door echter de t→m fase-transformatie te stabiliseren tot kamertemperatuur, kan stress-geïnduceerde fase-transformatie worden gebruikt om de breukenergie te absorberen, waardoor de breuktaaiheid en slijtvastheid van het materiaal worden verbeterd.
Om fase-transformatie-versteviging van zirconia te bereiken, ligt de sleutel in het toevoegen van geschikte stabilisatoren en door specifieke sintercondities, waarbij de stabiele fase - tetragonale fase - wordt gestabiliseerd tot kamertemperatuur. Zo kan de tetragonale fase-transformatie bij kamertemperatuur worden bereikt, waardoor de stabiliteit van zirconia wordt verbeterd. Van de verschillende stabilisatoren heeft Y2O3 veel onderzoeksaandacht getrokken vanwege zijn superieure eigenschappen. Met behulp van Y2O3-gestabiliseerd zirconia vertoont het gesinterde Y-TZP-materiaal uitstekende mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur, waaronder hoge sterkte, uitstekende breuktaaiheid en fijne en uniforme korrelgrootte. Deze kenmerken laten Y-TZP-materiaal opvallen in tal van toepassingen en trekken veel aandacht.
In het sinterproces van speciale keramiek spelen fluxmiddelen een cruciale rol. Hun functies zijn divers, en omvatten doorgaans het vormen van vaste oplossingen met het gesinterde materiaal, het belemmeren van kristalfase-transformatie, het remmen van korrelgroei en het genereren van vloeibare fasen. Als voorbeeld van het sinteren van alumina wordt magnesiumoxide (MgO) vaak gebruikt als een microstructuurstabilisator. Het kan de korrels verfijnen, waardoor het verschil in korrelgrensenergie aanzienlijk wordt verminderd, waardoor de anisotropie van de korrelgroei wordt verzwakt en discontinue korrelgroei wordt geremd. Vanwege de hoge vluchtigheid van MgO bij hoge temperaturen wordt echter, om het beste effect te garanderen, meestal overwogen om yttriumoxide (Y2O3) met MgO te mengen. De toevoeging van Y2O3 helpt niet alleen de korrels verder te verfijnen, maar bevordert ook de verdichting tijdens het sinterproces.