Zróżnicowane właściwości i szerokie zastosowania tlenku itru

Tlenek itru (Y2O3) jest ważnym tlenkiem metali ziem rzadkich, prezentującym biały lub lekko żółtawy wygląd proszku. Ten typ półwodzianu metali ziem rzadkich typu C ma unikalną strukturę przestrzenną centrowaną na ciele i jest nierozpuszczalny w wodzie i zasadach, ale rozpuszczalny w kwasach. Na powietrzu łatwo absorbuje dwutlenek węgla i wodę, dlatego wymaga szczelnego przechowywania, aby zapobiec pogorszeniu jakości.
Masa molowa tlenku itru wynosi 282 g/mol, a jego gęstość to 0,1 g/cm³. Materiał ten ma nie tylko temperaturę topnienia do 2410°C i temperaturę wrzenia 4300°C, co świadczy o doskonałej stabilności termicznej. Ponadto tlenek itru wykazuje znakomite właściwości zarówno w aspektach fizycznych, jak i chemicznych, z doskonałą odpornością na korozję. Jego przewodność cieplna osiąga 27 W/(m·K) w temperaturze 300K, około dwukrotnie więcej niż granat itrowo-aluminiowy, co daje mu znaczące zalety w zastosowaniu jako medium robocze lasera.
Ponadto tlenek itru ma szeroki zakres przejrzystości optycznej, od 29 μm do 8 μm, z teoretyczną przepuszczalnością przekraczającą 80% w zakresie światła widzialnego. Przy 1050 nm jego współczynnik załamania wynosi aż 89, zapewniając wysoką przejrzystość. Jego charakterystyka niskiej energii fononów, z maksymalną częstotliwością odcięcia fononów wynoszącą około 550 cm⁻¹, skutecznie tłumi przejścia nieradiacyjne i zwiększa prawdopodobieństwo przejść radiacyjnych, tym samym zwiększając wydajność kwantową luminescencji. Poniżej 2200°C, Y2O3 pozostaje w fazie kubicznej, bez dwójłomności, a przy 1050 nm jego współczynnik załamania wynosi 89. Jednak gdy temperatura przekracza 2200°C, przekształca się w fazę heksagonalną.
Co więcej, przerwa energetyczna Y2O3 jest bardzo szeroka, osiągając 5 eV. Trójwartościowe domieszki jonów luminescencyjnych metali ziem rzadkich są precyzyjnie zlokalizowane pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa Y2O3 i powyżej poziomu Fermiego, tworząc dyskretne centra luminescencyjne. Jako materiał macierzysty, Y2O3 może pomieścić wysokie stężenia domieszek trójwartościowych jonów metali ziem rzadkich i skutecznie zastępować jony Y3+ bez powodowania zmian strukturalnych.
Zastosowania tlenku itru:
Tlenek itru ma szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach. Na przykład może być używany do syntezy proszku cyrkonu stabilizowanego itrem. Czysty ZrO2 ulega przemianie fazowej podczas chłodzenia w wysokiej temperaturze, co powoduje rozszerzalność objętościową. Jednakże, stabilizując przemianę fazową t→m do temperatury pokojowej, można wykorzystać przemianę fazową indukowaną naprężeniami do pochłaniania energii pękania, tym samym zwiększając wytrzymałość na pękanie i odporność na zużycie materiału.
Aby osiągnąć hartowanie cyrkonu przez przemianę fazową, kluczem jest dodanie odpowiednich stabilizatorów i poprzez specyficzne warunki spiekania, stabilizacja stabilnej fazy - fazy tetragonalnej do temperatury pokojowej. W ten sposób można osiągnąć przemianę fazową tetragonalną w temperaturze pokojowej, zwiększając stabilność cyrkonu. Wśród różnych stabilizatorów, Y2O3 przyciągnął wiele uwagi badawczej ze względu na swoje doskonałe właściwości. Używając cyrkonu stabilizowanego Y2O3, spiekany materiał Y-TZP wykazuje doskonałe właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej, w tym wysoką wytrzymałość, doskonałą odporność na pękanie oraz drobny i jednolity rozmiar ziarna. Te cechy sprawiają, że materiał Y-TZP wyróżnia się w licznych zastosowaniach i przyciąga wiele uwagi.
W procesie spiekania ceramiki specjalnej, środki topiące odgrywają kluczową rolę. Ich funkcje są zróżnicowane, zazwyczaj obejmują tworzenie roztworów stałych ze spiekanym materiałem, utrudnianie przemiany fazowej kryształów, hamowanie wzrostu ziarna i generowanie faz ciekłych. Biorąc za przykład spiekanie tlenku glinu, tlenek magnezu (MgO) jest często używany jako stabilizator mikrostruktury. Może on uszlachetniać ziarna, znacznie zmniejszając różnicę w energii granic ziaren, tym samym osłabiając anizotropię wzrostu ziarna i hamując nieciągły wzrost ziarna. Jednak ze względu na wysoką lotność MgO w wysokich temperaturach, aby zapewnić najlepszy efekt, zwykle rozważa się zmieszanie tlenku itru (Y2O3) z MgO. Dodatek Y2O3 nie tylko pomaga w dalszym uszlachetnianiu ziarna, ale także promuje zagęszczanie podczas procesu spiekania.