イットリア安定化ジルコニア

イットリア安定化ジルコニア( YSZ ) は、酸化イットリウムの添加により、二酸化ジルコニウムの立方結晶構造が室温で安定化されたセラミックです。これらの酸化物は一般に「ジルコニア」( Zr O ₂ ) および「イットリア」( Y ₂ O ₃ )と呼ばれ、この名前が付けられています。

純粋な二酸化ジルコニウムは、図式に従って、単斜晶系（室温で安定）から正方晶系（約1173℃）へ、そして立方晶系（約2370℃）へと相転移を起こす。

単斜晶系（1173℃）↔正方晶系（2370℃）↔立方晶系（2690℃）↔溶融。

これらの変化の過程で、ジルコニアは最大5～6%の体積膨張を起こすことがあります。^{[1]この変化により内部応力が生じ、}セラミック材料にひび割れや破損が生じる可能性があります。^[2]

安定した焼結ジルコニアセラミック製品を得ることは、正方晶から単斜晶への転移に伴う約 5% の大きな体積変化のため困難です。より広い温度範囲で立方晶ジルコニアの多形を安定化するには、結晶格子内の Zr ⁴⁺イオン (イオン半径 0.82 Å、立方晶ジルコニアに特徴的な蛍石の理想的な格子には小さすぎる) の一部を、Y ³⁺イオン (イオン半径 0.96 Å)などのわずかに大きいイオンで置換します。このようにして得られたドープジルコニア材料は安定化ジルコニアと呼ばれます。^[3]

YSZに関連する材料には、カルシア、マグネシア、セリア、アルミナ安定化ジルコニア、または部分安定化ジルコニア（PSZ）があります。ハフニア安定化ジルコニアは熱伝導率が約25％低いため、熱バリア用途に適しています。^[4]

8～9 モル％のYSZは、1000℃を超える温度まで純粋な立方晶YSZ相で完全に安定化しないことが知られています。^[5]

イットリア安定化ジルコニアに関連してよく使用される略語は次のとおりです。

• 部分安定化ジルコニアZrO ₂ :
  • PSZ –部分安定化ジルコニア
  • TZP –正方晶ジルコニア多結晶
  • 4YSZ: 4 mol% Y ₂ O ₃部分安定化 ZrO ₂、イットリア安定化ジルコニア
• 完全安定化ジルコニアZrO ₂ :
  • FSZ –完全安定化ジルコニア
  • CSZ –立方晶安定化ジルコニア
  • 8YSZ – 8 mol% Y ₂ O ₃完全安定化 ZrO ₂
  • 8YDZ – 8～9 mol% Y ₂ O ₃ドープZrO ₂ : この材料は完全に安定化されておらず、高温で分解します。次の段落を参照してください^{[5] [6] [7]} )

熱膨張係数は、ジルコニアの改質によって次のように異なります。

• 単斜晶系: 7·10 ⁻⁶ /K ^[8]
• 正方晶: 12·10 ⁻⁶ /K ^[8]
• Y ₂ O ₃安定化：10,5·10 ⁻⁶ /K ^[8]

純粋なジルコニア（例えば、完全に安定化されたYSZ）にイットリアを添加すると、陽イオンサブラティス上のZr ^{4+がY 3+}イオンに置き換わります。これにより、電荷中性により酸素空孔が生成されます。^[9]

${\displaystyle {\text{Y}}_{2}{\text{O}}_{3}\to 2{\text{Y}}_{\text{Zr}}'+3{\text{O}}_{\text{O}}^{\text{x}}+{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }{\text{ }}[{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }]={\frac {1}{2}}[{\text{Y}}_{\text{Zr}}'],}$

これは、2 つの Y ³⁺イオンがアニオン副格子上に 1 つの空孔を生成することを意味します。これにより、高温での O ²⁻イオンに対するイットリウム安定化ジルコニアの適度な伝導性 (したがって電気伝導性) が促進されます。この O ²⁻イオン伝導能力により、イットリア安定化ジルコニアは固体酸化物燃料電池の固体電解質としての用途に適しています。

低ドーパント濃度の場合、安定化ジルコニアのイオン伝導率は、Y ₂ O ₃含有量の増加とともに増加します。温度（800～1200 °C）にほとんど依存せず、約 8～9 mol% で最大値を示します。 ^{[3] [5]}残念ながら、8～9 mol% YSZ（8YSZ、8YDZ）も、これらの温度で YSZ 状態図の 2 相場（c+t）に位置することが判明しました。これにより、材料がナノメートル スケールで Y に富む領域と Y が不足した領域に分解され、その結果、動作中に電気的に劣化します。^[6]ナノメートル スケールの微細構造と化学変化は、8YSZ の酸素イオン伝導率の大幅な低下（8YSZ の劣化）を伴い、950 °C で 2500 時間以内に約 40% 減少します。^[7]燃料電池の製造などにより8YSZに溶解したNiなどの微量の不純物は、分解速度に重大な影響を及ぼす可能性があり（8YSZの本来の分解を桁違いに加速）、500～700℃の低温動作でも導電性の低下が問題となる。^[10]

現在では、共ドープジルコニア（例：スカンジア）などのより複雑なセラミックが固体電解質として使用されています。

YSZ にはさまざまな用途があります。

• 硬さと化学的不活性のため（例：歯冠）。
• 耐火物として（例：ジェットエンジン内）。
• ガスタービンの断熱コーティングとして。
• イオン伝導特性を活かした電気セラミックスとして（例：排気ガス中の酸素含有量の測定、高温水中の pH 測定、燃料電池内）
• 固体酸化物燃料電池（SOFC）の製造に使用されます。YSZは固体電解質として使用され、電子伝導をブロックしながら酸素イオン伝導を可能にします。十分なイオン伝導を実現するために、YSZ電解質を使用したSOFCは高温（800〜1000℃）で動作する必要があります。^[11] YSZがこれらの温度でも機械的堅牢性を維持することは有利ですが、必要な高温はSOFCの欠点となることがよくあります。YSZの高密度は、ガス燃料を酸素から物理的に分離するためにも必要です。そうしないと、電気化学システムは電力を生成しません。^{[12] [13]}
• 単結晶の状態でその硬度と光学特性（「キュービックジルコニア」を参照）により、宝飾品として使用されます。
• ボーカー社と京セラ社が製造する非金属ナイフ刃の材料として。
• 自作のセラミックやセメント用の水性ペースト。これらには、微細な YSZ 粉砕繊維またはサブマイクロメートル粒子が含まれており、多くの場合、ケイ酸カリウムと酢酸ジルコニウムのバインダー (弱酸性 pH) が使用されています。水を除去すると、セメント化が起こります。結果として得られるセラミック材料は、非常に高温の用途に適しています。
• 希土類元素を添加したYSZは、サーモグラフィー用蛍光体や発光材料として機能します。^[14]
• 歴史的にはネルンストランプの白熱棒に使用されていました。
• ZYP Coatings, Inc. が製造する高温コーティングです。
• 光ファイバーコネクタフェルールの高精度アライメントスリーブとして。^[15]

• 立方晶ジルコニア – 二酸化ジルコニウムの立方晶系
• 焼結 – 熱または圧力によって材料を成形および結合するプロセス
• 超伝導線 – 抵抗がゼロになる線

• Green, DJ; Hannink, R.; Swain, MV (1989)。セラミックスの変態強化。ボカラトン: CRC プレス。ISBN 978-0-8493-6594-2。