Οι ποικίλες ιδιότητες και οι εκτεταμένες εφαρμογές του οξειδίου του υττρίου

Το οξείδιο του υττρίου (Y2O3) είναι ένα σημαντικό οξείδιο σπάνιων γαιών, που παρουσιάζει μια λευκή ή ελαφρώς κιτρινωπή εμφάνιση σε μορφή σκόνης. Αυτός ο τύπος ημιένυδρου σπάνιων γαιών τύπου C έχει μια μοναδική δομή κυβικού κέντρου σώματος και είναι αδιάλυτο στο νερό και τα αλκάλια, αλλά διαλυτό σε οξέα. Στον αέρα, απορροφά εύκολα διοξείδιο του άνθρακα και νερό, απαιτώντας έτσι σφραγισμένη αποθήκευση για την αποφυγή υποβάθμισης.
Η μοριακή μάζα του οξειδίου του υττρίου είναι 282 g/mol και η πυκνότητά του είναι 0,1 g/cm³. Αυτό το υλικό όχι μόνο έχει σημείο τήξης έως 2410°C και σημείο βρασμού 4300°C, αποδεικνύοντας εξαιρετική θερμική σταθερότητα. Επιπλέον, το οξείδιο του υττρίου παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση τόσο σε φυσικές όσο και σε χημικές πτυχές, με εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση. Η θερμική του αγωγιμότητα φτάνει τα 27 W/(m·K) στους 300K, περίπου διπλάσια από αυτή του γρανάτη υττρίου αλουμινίου, δίνοντάς του σημαντικά πλεονεκτήματα όταν χρησιμοποιείται ως μέσο εργασίας λέιζερ.
Επιπλέον, το οξείδιο του υττρίου έχει ένα ευρύ φάσμα οπτικής διαφάνειας, από 29 μm έως 8 μm, με θεωρητική διαπερατότητα που υπερβαίνει το 80% στην περιοχή του ορατού φωτός. Στα 1050 nm, ο δείκτης διάθλασής του είναι τόσο υψηλός όσο 89, παρέχοντας υψηλή διαφάνεια. Τα χαρακτηριστικά του χαμηλής ενέργειας φωνονίων, με τη μέγιστη συχνότητα αποκοπής φωνονίων περίπου 550 cm⁻¹, καταστέλλουν αποτελεσματικά τις μη-ακτινοβολικές μεταβάσεις και αυξάνουν τις πιθανότητες ακτινοβολικών μεταβάσεων, ενισχύοντας έτσι την κβαντική απόδοση φωταύγειας. Κάτω από τους 2200°C, το Y2O3 παραμένει στην κυβική φάση, χωρίς διπλοδιάθλαση, και στα 1050 nm, ο δείκτης διάθλασής του είναι 89. Ωστόσο, όταν η θερμοκρασία υπερβαίνει τους 2200°C, μετατρέπεται στην εξαγωνική φάση.
Επιπλέον, το ενεργειακό χάσμα του Y2O3 είναι πολύ ευρύ, φτάνοντας τα 5 eV. Οι τρισθενείς προσμείξεις ιόντων φωταύγειας σπάνιων γαιών βρίσκονται ακριβώς μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας του Y2O3, και πάνω από το επίπεδο Fermi, σχηματίζοντας διακριτά κέντρα φωταύγειας. Ως υλικό μήτρας, το Y2O3 μπορεί να φιλοξενήσει υψηλές συγκεντρώσεις τρισθενών ιόντων σπάνιων γαιών και να αντικαταστήσει αποτελεσματικά τα ιόντα Y3+ χωρίς να προκαλέσει δομικές αλλαγές.
Εφαρμογές του οξειδίου του υττρίου:
Το οξείδιο του υττρίου έχει ευρείες εφαρμογές σε διάφορους τομείς. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση σκόνης ζιρκονίας σταθεροποιημένης με υττρίο. Το καθαρό ZrO2 υφίσταται μια μετατροπή φάσης κατά την ψύξη σε υψηλή θερμοκρασία, με αποτέλεσμα τη διαστολή του όγκου. Ωστόσο, σταθεροποιώντας τη μετατροπή φάσης t→m σε θερμοκρασία δωματίου, η μετατροπή φάσης που προκαλείται από την τάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απορρόφηση της ενέργειας θραύσης, ενισχύοντας έτσι την ανθεκτικότητα στη θραύση και την αντοχή στη φθορά του υλικού.
Για την επίτευξη σκλήρυνσης μετατροπής φάσης της ζιρκονίας, το κλειδί έγκειται στην προσθήκη κατάλληλων σταθεροποιητών και μέσω συγκεκριμένων συνθηκών πυροσυσσωμάτωσης, σταθεροποιώντας τη σταθερή φάση - τετραγωνική φάση σε θερμοκρασία δωματίου. Έτσι, η μετατροπή τετραγωνικής φάσης σε θερμοκρασία δωματίου μπορεί να επιτευχθεί, ενισχύοντας τη σταθερότητα της ζιρκονίας. Μεταξύ των διαφόρων σταθεροποιητών, το Y2O3 έχει προσελκύσει μεγάλη ερευνητική προσοχή λόγω των ανώτερων ιδιοτήτων του. Χρησιμοποιώντας ζιρκονία σταθεροποιημένη με Y2O3, το πυροσυσσωματωμένο υλικό Y-TZP παρουσιάζει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες σε θερμοκρασία δωματίου, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής αντοχής, της εξαιρετικής ανθεκτικότητας στη θραύση και του λεπτού και ομοιόμορφου μεγέθους κόκκων. Αυτά τα χαρακτηριστικά κάνουν το υλικό Y-TZP να ξεχωρίζει σε πολυάριθμες εφαρμογές και να προσελκύει μεγάλη προσοχή.
Στη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης ειδικών κεραμικών, οι παράγοντες ροής παίζουν καθοριστικό ρόλο. Οι λειτουργίες τους είναι ποικίλες, συνήθως περιλαμβάνουν το σχηματισμό στερεών διαλυμάτων με το πυροσυσσωματωμένο υλικό, την παρεμπόδιση της μετατροπής κρυσταλλικής φάσης, την αναστολή της ανάπτυξης κόκκων και τη δημιουργία υγρών φάσεων. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την πυροσυσσωμάτωση αλουμίνας, το οξείδιο του μαγνησίου (MgO) χρησιμοποιείται συχνά ως σταθεροποιητής μικροδομής. Μπορεί να βελτιώσει τους κόκκους, μειώνοντας σημαντικά τη διαφορά στην ενέργεια των ορίων των κόκκων, αποδυναμώνοντας έτσι την ανισοτροπία της ανάπτυξης των κόκκων και αναστέλλοντας την ασυνεχή ανάπτυξη των κόκκων. Ωστόσο, λόγω της υψηλής πτητικότητας του MgO σε υψηλές θερμοκρασίες, για να διασφαλιστεί το καλύτερο αποτέλεσμα, συνήθως θεωρείται η ανάμειξη οξειδίου του υττρίου (Y2O3) με MgO. Η προσθήκη Y2O3 όχι μόνο βοηθά στην περαιτέρω βελτίωση των κόκκων, αλλά και προάγει τη συμπύκνωση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης.