Die unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsbereiche von Yttriumoxid

Yttriumoxid (Y2O3) ist ein wichtiges Seltenerdoxid, das als weißes oder leicht gelbliches, pulverförmiges Aussehen vorliegt. Dieser Typ des C-Typ-Seltenerd-Hemihydrats weist eine einzigartige raumzentrierte kubische Struktur auf und ist in Wasser und Alkalien unlöslich, aber in Säuren löslich. An der Luft absorbiert es leicht Kohlendioxid und Wasser, wodurch eine versiegelte Lagerung erforderlich ist, um eine Verschlechterung zu verhindern.
Die Molmasse von Yttriumoxid beträgt 282 g/mol, und seine Dichte beträgt 0,1 g/cm³. Dieses Material hat nicht nur einen Schmelzpunkt von bis zu 2410°C und einen Siedepunkt von 4300°C, was eine ausgezeichnete thermische Stabilität beweist. Darüber hinaus zeigt Yttriumoxid hervorragende Leistungen in physikalischer und chemischer Hinsicht, mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit. Seine Wärmeleitfähigkeit erreicht 27 W/(m·K) bei 300 K, etwa das Doppelte von Yttrium-Aluminium-Granat, was ihm erhebliche Vorteile bei der Verwendung als Laser-Arbeitsmedium verschafft.
Darüber hinaus hat Yttriumoxid einen breiten optischen Transparenzbereich von 29 μm bis 8 μm, mit einer theoretischen Transmission von über 80 % im sichtbaren Lichtbereich. Bei 1050 nm beträgt sein Brechungsindex bis zu 89, was eine hohe Transparenz bietet. Seine Eigenschaften mit niedriger Phononenenergie, mit einer maximalen Phononen-Grenzfrequenz von etwa 550 cm⁻¹, unterdrücken effektiv nicht-strahlende Übergänge und erhöhen die Wahrscheinlichkeiten für strahlende Übergänge, wodurch die Quantenausbeute der Lumineszenz erhöht wird. Unter 2200°C verbleibt Y2O3 in der kubischen Phase, ohne Doppelbrechung, und bei 1050 nm beträgt sein Brechungsindex 89. Wenn die Temperatur jedoch 2200°C übersteigt, wandelt es sich in die hexagonale Phase um.
Darüber hinaus ist die Energielücke von Y2O3 sehr breit und erreicht 5 eV. Die dreiwertigen Seltenerd-Lumineszenz-Ionen-Dotierstoffe befinden sich präzise zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband von Y2O3 und oberhalb des Fermi-Niveaus, wodurch diskrete Lumineszenzzentren gebildet werden. Als Matrixmaterial kann Y2O3 hohe Konzentrationen von dreiwertigen Seltenerd-Ionen-Dotierungen aufnehmen und Y3+-Ionen effektiv ersetzen, ohne strukturelle Veränderungen zu verursachen.
Anwendungen von Yttriumoxid:
Yttriumoxid hat weitverbreitete Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Beispielsweise kann es zur Synthese von yttriumstabilisiertem Zirkonoxid-Pulver verwendet werden. Reines ZrO2 unterliegt während der Hochtemperaturkühlung einer Phasenumwandlung, was zu einer Volumenausdehnung führt. Durch die Stabilisierung der t→m-Phasenumwandlung auf Raumtemperatur kann jedoch die spannungsinduzierte Phasenumwandlung genutzt werden, um die Bruchenergie zu absorbieren und so die Bruchzähigkeit und den Verschleißwiderstand des Materials zu erhöhen.
Um eine Phasenumwandlungsverfestigung von Zirkonoxid zu erreichen, liegt der Schlüssel darin, geeignete Stabilisatoren hinzuzufügen und durch spezifische Sinterbedingungen die stabile Phase - tetragonale Phase - auf Raumtemperatur zu stabilisieren. So kann die tetragonale Phasenumwandlung bei Raumtemperatur erreicht werden, wodurch die Stabilität von Zirkonoxid erhöht wird. Unter den verschiedenen Stabilisatoren hat Y2O3 aufgrund seiner überlegenen Eigenschaften viel Forschungsaufmerksamkeit auf sich gezogen. Unter Verwendung von Y2O3-stabilisiertem Zirkonoxid weist das gesinterte Y-TZP-Material bei Raumtemperatur ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf, darunter hohe Festigkeit, ausgezeichnete Bruchzähigkeit und feine und gleichmäßige Korngröße. Diese Eigenschaften lassen das Y-TZP-Material in zahlreichen Anwendungen hervorstechen und ziehen viel Aufmerksamkeit auf sich.
Beim Sinterprozess von Spezialkeramiken spielen Flussmittel eine entscheidende Rolle. Ihre Funktionen sind vielfältig und umfassen typischerweise die Bildung von festen Lösungen mit dem gesinterten Material, die Behinderung der Kristallphasenumwandlung, die Hemmung des Kornwachstums und die Erzeugung von flüssigen Phasen. Am Beispiel des Sinterns von Aluminiumoxid wird Magnesiumoxid (MgO) oft als Mikrostrukturstabilisator verwendet. Es kann die Körner verfeinern, die Differenz in der Korngrenzenenergie erheblich reduzieren, wodurch die Anisotropie des Kornwachstums geschwächt und das diskontinuierliche Kornwachstum gehemmt wird. Aufgrund der hohen Flüchtigkeit von MgO bei hohen Temperaturen wird jedoch, um die beste Wirkung zu erzielen, in der Regel in Betracht gezogen, Yttriumoxid (Y2O3) mit MgO zu mischen. Die Zugabe von Y2O3 hilft nicht nur, die Körner weiter zu verfeinern, sondern fördert auch die Verdichtung während des Sinterprozesses.