YSZ (иттриевая стабилизация)
YSZ (yttria-stabilized zirconia, диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия) — это керамика на основе ZrO₂ с добавкой 3–8 мол. % Y₂O₃, которая удерживает высокотемпературную кристаллическую фазу при комнатной температуре и тем самым снимает главный порок чистого циркония — разрушение при фазовом переходе. По прочности на изгиб YSZ достигает 900–1200 МПа, что делает её самой прочной из технических керамик.
Ключевые характеристики
| Свойство | 3YSZ (TZP) | 8YSZ (кубический) |
|---|---|---|
| Содержание Y₂O₃ | 3 мол. % | 8 мол. % |
| Прочность на изгиб | 900–1200 МПа | 200–300 МПа |
| Вязкость разрушения | 5–10 МПа·м⁰·⁵ | 2–3 МПа·м⁰·⁵ |
| КТР | 10,5·10⁻⁶ K⁻¹ | 10,5·10⁻⁶ K⁻¹ |
| Теплопроводность | 2–3 Вт/(м·К) | 2–3 Вт/(м·К) |
| Ионная проводимость по кислороду | низкая | высокая |
Зачем нужна стабилизация
Чистый ZrO₂ при охлаждении около 1170 °C переходит из тетрагональной фазы в моноклинную с увеличением объёма на 3–5 %. Изделие из нестабилизированного циркония растрескивается на первом же остывании — практической ценности такой материал не имеет.
Оксид иттрия встраивается в решётку и удерживает тетрагональную или кубическую фазу до комнатной температуры. Количество добавки определяет результат: 3 мол. % дают частично стабилизированный материал TZP с рекордной прочностью, 8 мол. % — полностью стабилизированный кубический, менее прочный, но проводящий ионы кислорода.
Трансформационное упрочнение
У 3YSZ есть механизм, которого нет у других керамик. Метастабильные тетрагональные зёрна у вершины растущей трещины переходят в моноклинную фазу, увеличиваются в объёме и сжимают трещину, останавливая её рост. Отсюда и вязкость разрушения 5–10 МПа·м⁰·⁵ — на порядок выше, чем у корунда.
Плата за это — ограничение по температуре и старение во влажной среде: при длительной выдержке в горячей воде и паре поверхностные зёрна самопроизвольно переходят в моноклинную фазу, и материал теряет прочность.
Где применяется
- Кислородные датчики (лямбда-зонды) и твердооксидные топливные элементы — за счёт ионной проводимости 8YSZ
- Теплозащитные покрытия лопаток турбин: низкая теплопроводность 2–3 Вт/(м·К)
- Мелющие тела, фильеры, режущий инструмент, детали насосов
- Медицина: имплантаты и стоматологические коронки
- В печной оснастке и технической керамике уступает корунду из-за высокого КТР
Частые вопросы
Почему YSZ плохо переносит термоудар?
Из-за сочетания высокого КТР 10,5·10⁻⁶ K⁻¹ и низкой теплопроводности 2–3 Вт/(м·К). Материал сильно расширяется, а тепло по объёму распределяется медленно, поэтому перепад по сечению быстро превращается в напряжения. Для термоциклирования берут кордиерит или нитрид кремния.
Чем YSZ отличается от корунда?
Прочностью и вязкостью — они у циркония в разы выше. Корунд выигрывает по температуре применения, теплопроводности и цене, поэтому в печной оснастке доминирует именно он.
Что означает маркировка 3YSZ и 8YSZ?
Число — молярный процент Y₂O₃. 3YSZ — конструкционный прочный материал, 8YSZ — кислород-проводящий электролит. Это разные по назначению керамики с одинаковой химической основой.
