Le diverse proprietà e le ampie applicazioni dell'ossido di ittrio

L'ossido di ittrio (Y2O3) è un importante ossido di terre rare, che si presenta come una polvere bianca o leggermente giallastra. Questo tipo di emiidrato di terre rare di tipo C ha una struttura cubica a corpo centrato unica ed è insolubile in acqua e alcali, ma solubile in acidi. All'aria, assorbe facilmente anidride carbonica e acqua, richiedendo quindi una conservazione sigillata per prevenire il deterioramento.
La massa molare dell'ossido di ittrio è di 282 g/mol e la sua densità è di 0,1 g/cm³. Questo materiale non solo ha un punto di fusione fino a 2410°C e un punto di ebollizione di 4300°C, dimostrando un'eccellente stabilità termica. Inoltre, l'ossido di ittrio mostra prestazioni eccezionali sia negli aspetti fisici che chimici, con un'eccellente resistenza alla corrosione. La sua conducibilità termica raggiunge i 27 W/(m·K) a 300K, circa il doppio di quella del granato di ittrio alluminio, conferendogli vantaggi significativi se utilizzato come mezzo di lavoro laser.
Inoltre, l'ossido di ittrio ha un'ampia gamma di trasparenza ottica, da 29 μm a 8 μm, con una trasmittanza teorica superiore all'80% nella regione della luce visibile. A 1050 nm, il suo indice di rifrazione è elevato, pari a 89, fornendo un'elevata trasparenza. Le sue caratteristiche a bassa energia fononica, con la frequenza di taglio fononico massima di circa 550 cm⁻¹, sopprimono efficacemente le transizioni non radiative e aumentano le probabilità di transizione radiativa, migliorando così l'efficienza quantica di luminescenza. Sotto i 2200°C, Y2O3 rimane nella fase cubica, senza birifrangenza, e a 1050 nm, il suo indice di rifrazione è 89. Tuttavia, quando la temperatura supera i 2200°C, si trasforma nella fase esagonale.
Inoltre, il gap energetico di Y2O3 è molto ampio, raggiungendo i 5 eV. I droganti di ioni luminescenti trivalenti di terre rare sono posizionati con precisione tra la banda di valenza e la banda di conduzione di Y2O3 e sopra il livello di Fermi, formando centri luminescenti discreti. Come materiale matrice, Y2O3 può ospitare alte concentrazioni di ioni di terre rare trivalenti e sostituire efficacemente gli ioni Y3+ senza causare cambiamenti strutturali.
Applicazioni dell'ossido di ittrio:
L'ossido di ittrio ha ampie applicazioni in vari campi. Ad esempio, può essere utilizzato per sintetizzare polvere di zirconia stabilizzata con ittrio. Lo ZrO2 puro subisce una trasformazione di fase durante il raffreddamento ad alta temperatura, con conseguente espansione del volume. Tuttavia, stabilizzando la trasformazione di fase t→m a temperatura ambiente, la trasformazione di fase indotta da stress può essere utilizzata per assorbire l'energia di frattura, migliorando così la tenacità alla frattura e la resistenza all'usura del materiale.
Per ottenere l'indurimento per trasformazione di fase della zirconia, la chiave sta nell'aggiungere stabilizzatori appropriati e attraverso specifiche condizioni di sinterizzazione, stabilizzando la fase stabile - fase tetragonale - a temperatura ambiente. Pertanto, la trasformazione di fase tetragonale a temperatura ambiente può essere ottenuta, migliorando la stabilità della zirconia. Tra i vari stabilizzatori, Y2O3 ha attirato molta attenzione nella ricerca grazie alle sue proprietà superiori. Utilizzando zirconia stabilizzata con Y2O3, il materiale Y-TZP sinterizzato mostra eccellenti proprietà meccaniche a temperatura ambiente, tra cui elevata resistenza, eccellente tenacità alla frattura e dimensioni dei grani fini e uniformi. Queste caratteristiche fanno risaltare il materiale Y-TZP in numerose applicazioni e attirano molta attenzione.
Nel processo di sinterizzazione di ceramiche speciali, gli agenti fondenti svolgono un ruolo cruciale. Le loro funzioni sono diverse, tra cui tipicamente la formazione di soluzioni solide con il materiale sinterizzato, l'ostacolo alla trasformazione di fase cristallina, l'inibizione della crescita dei grani e la generazione di fasi liquide. Prendendo come esempio la sinterizzazione dell'allumina, l'ossido di magnesio (MgO) viene spesso utilizzato come stabilizzatore della microstruttura. Può raffinare i grani, riducendo significativamente la differenza di energia del bordo del grano, indebolendo così l'anisotropia della crescita dei grani e inibendo la crescita discontinua dei grani. Tuttavia, a causa dell'elevata volatilità di MgO ad alte temperature, per garantire il miglior effetto, di solito si considera di mescolare l'ossido di ittrio (Y2O3) con MgO. L'aggiunta di Y2O3 non solo aiuta a raffinare ulteriormente i grani, ma promuove anche la densificazione durante il processo di sinterizzazione.