ดูต้นฉบับสำหรับ อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย

[[ไฟล์:Yttria-stabilized zirconia (YSZ) diagram.jpg|thumb|300 px|โครงสร้างผลึกของ อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย (YSZ)]]
'''อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย''' ('''{{langx|en|Yttria-stabilized zirconia}}''', '''YSZ''') เป็น[[เซรามิก]]ที่มีโครงสร้างผลึกรูปลูกบาศก์ของ[[เซอร์โคเนียม]]ไดออกไซด์ ซึ่งทำให้เสถียรที่อุณหภูมิห้องโดยการเติม [[อิตเทรียม]]ออกไซด์ [[ออกไซด์]]เหล่านี้มีชื่อสามัญเรียกว่า "เซอร์โคเนีย" (ZrO<sub>2</sub>) และ "อิตเทรีย" (Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)

== การทำให้เสถียร ==
เซอร์โคเนียมไดออกไซด์บริสุทธิ์ผ่านการเปลี่ยนสถานะ[[โครงสร้างผลึก]]จาก โมโนคลินิก (เสถียรที่อุณหภูมิห้อง) เป็นเตตระโกนัล (ที่อุณหภูมิประมาณ 1,173&nbsp;°C) จากนั้นเปลี่ยนเป็นผลึกลูกบาศก์ (ที่ประมาณ 2,370&nbsp;°C) ตามรูปแบบ:

โมโนคลินิก (1,173&nbsp;°C) <math>\leftrightarrow</math> เตตระโกนัล (2,370&nbsp;°C) <math>\leftrightarrow</math> คิวบิก (2,690&nbsp;°C) <math>\leftrightarrow</math> หลอมเหลว

การได้มาซึ่งผลิตภัณฑ์เซรามิกเผาผนึกเซอร์โคเนียที่มีความเสถียรนั้นเป็นเรื่องยาก เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างมากพร้อมกับการเปลี่ยนสถานะโครงสร้างจากผลึกเตตระโกนัล เป็นโมโนคลินิก (ประมาณ 5%) การทำให้เกิดความเสถียร ของผลึก[[ลูกบาศก์]]พหุสัณฐานของเซอร์โคเนียในช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้นนั้น สามารถทำได้โดยการแทนที่[[ไอออน]]ของ Zr<sup>4+</sup> บางส่วน (รัศมีอิออนิกขนาด 0.82 [[อังสตรอม|Å]] ซึ่งมีขนาดเล็กเกินไปสำหรับโครงผลึกที่สมบูรณ์ของฟลูออไรต์ที่เหมาะสำหรับผลึก เตตระโกนัลเซอร์โคเนีย) ในโครงสร้างผลึกด้วยอิออนที่มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อย เช่นของ Y<sup>3+</sup> (รัศมีไอออนิกเท่ากับ 0.96 Å) ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการเจือวัสดุเซอร์โคเนียมที่เกิดขึ้นเรียกว่า สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย หรือ เซอร์โคเนียเสถียร<ref name="Yan">{{Cite book|author1=H. Yanagida |author2=K. Koumoto |author3=M. Miyayama |title=The Chemistry of Ceramics |publisher=John Wiley & Sons |date=1996 |isbn=0-471-95627-9}}</ref>

วัสดุที่เกี่ยวข้องกับ YSZ ได้แก่ แคลเซีย-, แมกนีเซีย-, ซีเรีย- หรือ อลูมินา- สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย หรือ เซอร์โคเนียที่เสถียรบางส่วน (PSZ) รวมทั้ง แฮฟเนีย- สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย ก็เป็นที่รู้จัก<ref>{{Cite web|url=https://www.reade.com/products/zirconium-oxide-hafnia-stabilized-zro2-hf2-2 |title=Zirconium Oxide, Hafnia Stabilized (ZrO2 + Hf2) |publisher=Reade |accessdate=2020-03-03}}</ref>

แม้ว่าสารเจือ YSZ ความเข้มข้น 8–9 โมลเปอร์เซนต์นั้นเป็นที่ทราบกันว่าไม่เสถียรอย่างสมบูรณ์ในช่วงสถานะโครงสร้างผลึกแบบคิวบิกของ YSZ บริสุทธิ์ จนถึงอุณหภูมิสูงกว่า 1,000 °C<ref name=":0" />

คำย่อที่ใช้กันโดยทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับ อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย คือ:
* เซอร์โคเนียเสถียรบางส่วน ZrO<sub>2</sub>:
** PSZ - Partially Stabilized Zirconia
** TZP -Tetragonal Zirconia Polycrystal
** 4YSZ: วัสดุเจือ 4 โมล-% ของ Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Partially Stabilized Zirconia ZrO<sub>2</sub>, อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย

* เซอร์โคเนียเสถียรสมบูรณ์ ZrO<sub>2</sub>:
** FSZ - Fully Stabilized Zirconia
** CSZ - Cubic Stabilized Zirconia
** 8YSZ - วัสดุเจือ 8 โมล-% ของ Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fully Stabilized ZrO<sub>2</sub>
** 8YDZ - วัสดุเจือ 8–9 โมล-% ของ Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-doped ZrO2: มีข้อเท็จจริงที่วัสดุไม่เสถียรอย่างสมบูรณ์ และคืนรูปที่อุณหภูมิใช้งานสูง<ref name=":0" /><ref name=":1" /><ref name=":2" />

== สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงอุณหภูมิ ==
ค่า[[สัมประสิทธิ์ของการขยายตัวจากความร้อน]]ขึ้นอยู่กับการปรับเปลี่ยนโครงสร้างผลึกของเซอร์โคเนียดังนี้:

* โมโนคลินิก: 7 · 10<sup>−6</sup>/K<ref name="matweb">Matweb: [http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=05e29689151440d3904052baa788ae22 CeramTec 848 Zirconia (ZrO<sub>2</sub>)] & [http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?MatGUID=0742ddaddf80467fb6532e025c694e89 Zirconium Oxide, Zirconia, ZrO<sub>2</sub>]</ref>
* เตตระโกนัล: 12 · 10<sup>−6</sup>/K<ref name="matweb"/>
* Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> เสถียร: 10.5 · 10<sup>−6</sup>/K<ref name="matweb"/>

== ค่าการนำไอออนของ YSZ และการเสื่อมสภาพ ==
โดยการเพิ่มอิตเทรีย ไปยังเซอร์โคเนียบริสุทธิ์ (เช่นในวัสดุ YSZ เสถียรสมบูรณ์) ไอออน Y<sup>3+</sup> จะแทนที่ Zr<sup>4+</sup> ในผลึกส่วนย่อยประจุบวก ดังนั้น[[ออกซิเจน]]ว่างถูกสร้างขึ้นจากค่าประจุที่เป็นกลาง<ref>{{Cite journal|last=Hund|first=F|year=1951|title=Anomale Mischkristalle im System ZrO2–Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte.|journal=Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie|volume=55|pages=363–366}}</ref>:

<math>\text{Y}_2\text{O}_3 \rightarrow 2\text{Y}_{\text{Zr}}^'+3\text{O}_\text{O}^\text{x}+\text{V}_\text{O}^{\bullet\bullet}
</math> โดยที่ <math>[\text{V}_\text{O}^{\bullet\bullet}]=\frac{1}{2}[\text{Y}_{\text{Zr}}^']</math>

ความหมายของสมการคือ สองไอออนของ Y<sup>3+</sup> สร้างหนึ่งตำแหน่งว่างในผลึกส่วนย่อยประจุลบ สิ่งนี้ส่งผลให้มีการนำไฟฟ้าปานกลางของอิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนียสำหรับ O<sup>2−</sup> ไอออน (และค่าการนำไฟฟ้า) สูงขึ้นที่อุณหภูมิสูง ความสามารถในการนำของไอออน O<sup>2−</sup> ทำให้อิตเทรีย-สเตบิไลซ์เซอร์โคเนีย เหมาะสำหรับการใช้เป็นวัสดุ[[อิเล็กโทรไลต์]]ของแข็งใน[[เซลล์เชื้อเพลิง]]ชนิดออกไซด์ของแข็ง

สำหรับวัสดุเจือความเข้มข้นต่ำ ค่าการนำอิออนของเซอร์โคเนียเสถียรจะเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มปริมาณ Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> โดยมีค่าสูงสุดประมาณ 8–9 mol-% ซึ่งเกือบเป็นอิสระจากอุณหภูมิ (800–1,200 °C)<ref name="Yan" /><ref name=":0">{{Cite book|url=https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000015724|title=Yttria-doped zirconia as solid electrolyte for fuel-cell applications : Fundamental aspects|last=Butz|first=Benjamin|publisher=Südwestdt. Verl. für Hochschulschr.|year=2011|isbn=978-3-8381-1775-1|location=|pages=|quote=|via=}}</ref> น่าเสียดายที่ 8–9 mol-% ของ YSZ (8YSZ, 8YDZ) กลับตั้งอยู่ในเขต 2-phase (c + t) ของแผนภาพเฟสของ YSZ ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ซึ่งทำให้เกิดการสลายตัวของวัสดุเป็น Y-enriched และบริเวณการพร่อง (depletion region) บนมาตราส่วน[[นาโนเมตร]] และด้วยเหตุนี้นำไปสู่การเสื่อมสภาพทางไฟฟ้าในระหว่างการใช้งาน<ref name=":1">{{Cite journal|last=Butz|first=B.|last2=Schneider|first2=R.|last3=Gerthsen|first3=D.|last4=Schowalter|first4=M.|last5=Rosenauer|first5=A.|date=2009-10-01|title=Decomposition of 8.5 mol.% Y2O3-doped zirconia and its contribution to the degradation of ionic conductivity|journal=Acta Materialia|volume=57|issue=18|pages=5480–5490|doi=10.1016/j.actamat.2009.07.045}}</ref> การเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างระดับไมโคร และทางเคมีในระดับนาโนเมตรนั้นมาพร้อมกับการลดลงอย่างมากของการนำออกซิเจนไอออนของ 8YSZ (การเสื่อมสภาพของ 8YSZ) ประมาณ 40% ที่ 950 °C ภายใน 2,500 ชั่วโมง<ref name=":2">{{Cite journal|last=Butz|first=B.|last2=Kruse|first2=P.|last3=Störmer|first3=H.|last4=Gerthsen|first4=D.|last5=Müller|first5=A.|last6=Weber|first6=A.|last7=Ivers-Tiffée|first7=E.|date=2006-12-01|title=Correlation between microstructure and degradation in conductivity for cubic Y2O3-doped ZrO2|journal=Solid State Ionics|volume=177|issue=37–38|pages=3275–3284|doi=10.1016/j.ssi.2006.09.003}}</ref> ร่องรอยของสิ่งเจือปนเช่น Ni ที่ละลายใน 8YSZ เช่น ระหว่างการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงสามารถมีผลกระทบอย่างรุนแรงต่ออัตราการสลายตัว (การเร่งความเร็วของการสลายตัวของ 8YSZ ตามปริมาณการเจือปน) เช่นการเสื่อมสภาพของการนำไฟฟ้า ทำให้เกิดปัญหาแม้ที่อุณหภูมิการทำงานต่ำในช่วง 500–700 °C<ref>{{Cite journal|last=Butz|first=B.|last2=Lefarth|first2=A.|last3=Störmer|first3=H.|last4=Utz|first4=A.|last5=Ivers-Tiffée|first5=E.|last6=Gerthsen|first6=D.|date=2012-04-25|title=Accelerated degradation of 8.5 mol% Y2O3-doped zirconia by dissolved Ni|journal=Solid State Ionics|volume=214|pages=37–44|doi=10.1016/j.ssi.2012.02.023}}</ref>

ทุกวันนี้ มีการสร้างเซรามิกที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่น วัสดุเจือร่วมเซอร์โคเนีย (เช่นกับสแกนเดีย) ซึ่งถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง

== การประยุกต์ใช้ ==
[[ไฟล์:Metallfreie Brücke Zirkoniumdioxid 2012 PD 1.JPG|thumb|right|ครอบฟันหลายซี่ ซึ่งปราศจากโลหะ]]
มีการประยุกต์ใช้ YSZ ในหลายด้านเช่น:
* ใช้ประโยชน์จากความแข็งและความเฉื่อยของสาร (เช่นทำครอบฟัน)
* ใชัเป็น[[วัสดุทนไฟ]] (เช่นใน[[เครื่องยนต์ไอพ่น]])
* เป็นส่วนประกอบของ[[ฉนวนความร้อน]]ในเครื่องยนต์กังหันก๊าซ
* ใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรเซรามิกเนื่องจากคุณสมบัติการนำไอออน (เช่นเพื่อตรวจสอบปริมาณออกซิเจนในก๊าซไอเสีย, เพื่อวัดค่า [[พีเอช_(เคมี)|pH]] ในน้ำอุณหภูมิสูง, ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิง)
* ใช้ในการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (Solid oxide fuel cell, SOFC) YSZ ใช้เป็นของแข็งอิเล็กโทรไลต์ซึ่งช่วยให้การนำออกซิเจนไอออนในขณะที่ปิดกั้นการนำไฟฟ้า เพื่อให้บรรลุการนำไอออนที่เพียงพอ SOFC ที่มีอิเล็กโทรไลต์ YSZ จะต้องดำเนินการที่อุณหภูมิสูง (800–1,000 °C)<ref>{{Cite journal|last=Song|first=B.|last2=Ruiz-Trejo|first2=E.|last3=Brandon|first3=N.P.|date=August 2018|title=Enhanced mechanical stability of Ni-YSZ scaffold demonstrated by nanoindentation and Electrochemical Impedance Spectroscopy|journal=Journal of Power Sources|volume=395|pages=205–211|doi=10.1016/j.jpowsour.2018.05.075}}</ref> ในขณะที่มีข้อได้เปรียบที่ YSZ จะรักษาความแข็งแกร่งเชิงกลที่อุณหภูมิเหล่านั้น แต่อุณหภูมิสูงที่จำเป็นก็มักจะเป็นข้อเสียของ SOFCs สำหรับความหนาแน่นสูงของ YSZ ก็เป็นสิ่งจำเป็นในการแยกเชื้อเพลิงก๊าซออกจากออกซิเจนเช่นกัน มิฉะนั้นแล้วระบบไฟฟ้าเคมีจะไม่ผลิตพลังงานไฟฟ้า<ref>{{cite journal |last1=Minh |first1=N.Q. |year=1993 |title=Ceramic Fuel-Cells |journal=Journal of the American Ceramic Society |volume=76 |issue=3 |pages=563–588  | doi = 10.1111/j.1151-2916.1993.tb03645.x }}</ref><ref>{{cite web |last1=De Guire |first1=Eileen |year=2003 |title=Solid Oxide Fuel Cells |publisher=CSA |url=http://www.csa.com/discoveryguides/fuecel/overview.php |access-date=2020-03-04 |archive-date=2014-11-05 |archive-url=https://web.archive.org/web/20141105105225/http://www.csa.com/discoveryguides/fuecel/overview.php |url-status=dead }}</ref>
* สำหรับความแข็งและคุณสมบัติทางแสงในรูปแบบของผลึกเดี่ยว monocrystal (ดู [[คิวบิกเซอร์โคเนีย]]) จะถูกใช้เป็นเครื่องประดับ
* เป็นวัสดุสำหรับใบ[[มีด]]ที่ไม่ใช่โลหะผลิตโดย บริษัท Boker และ [[เคียวเซร่า|เคียวเซรา]]
* ในสารเซรามิกและซีเมนต์สูตรน้ำ สำหรับทำเอง สิ่งนี้ประกอบด้วยเส้นใยที่ถูกบดละเอียดของ YSZ หรืออนุภาคย่อยระดับไมโครเมตร ซึ่งมักมีโพแทสเซียม[[ซิลิเกต]]และเซอร์โคเนียม[[แอซิเตต]]เป็นสารยึดเกาะ (ที่ pH ที่เป็นกรดอ่อน ๆ ) การประสานเกิดขึ้นเมื่อน้ำถูกกำจัดออก วัสดุเซรามิกที่ได้นั้นเหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงมาก
* YSZ เจือด้วยวัสดุจาก[[ธาตุหายาก]] ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นสารรับภาพสำหรับอุปกรณ์จับภาพความร้อน และเป็นวัสดุเรืองแสง<ref>{{cite book|author=American Ceramic Society|title=Progress in Thermal Barrier Coatings|url=https://books.google.com/books?id=dqCNlgDsu0EC&pg=PA139|accessdate=23 October 2011|date=29 May 2009|publisher=John Wiley and Sons|isbn=978-0-470-40838-4|pages=139–}}</ref>
* ในอดีตเคยใช้สำหรับแท่งเรืองแสงในหลอดไฟเนอร์ส (Nernst lamps)
* ใช้เป็นปลอกจัดตำแหน่งความแม่นยำสูง สำหรับปลอกโลหะของขั้วต่อ[[ใยแก้วนำแสง]]<ref>{{Cite web |url=http://www.diamond-fo.com/en/products_catalogue_details.asp?section=2&group=e2000&source=Assemblies&family=10101 |title=E-2000 Simplex |publisher=Diamond SA |archive-url=https://archive.today/20130122090117/http://www.diamond-fo.com/en/products_catalogue_details.asp?section=2&group=e2000&source=Assemblies&family=10101 |archive-date=2013-01-22 |access-date=2020-03-04 |url-status=live }}</ref>

== ดูเพิ่ม ==
* [[คิวบิกเซอร์โคเนีย]] – รูปแบบผลึกลูกบาศก์ของเซอร์โคเนียมไดออกไซด์
* {{Interlanguage link|Sintering|en}} – กระบวนการขึ้นรูปและเชื่อมวัสดุด้วยความร้อนหรือความดัน
* {{Interlanguage link|Superconducting wire|en}} – สายตัว[[สภาพนำยวดยิ่ง|นำยิ่งยวด]]ที่มีความต้านทานเป็นศูนย์

== อ้างอิง ==
{{รายการอ้างอิง}}

== บรรณานุกรม ==
* {{Cite book| last = Green| first = D.J. |author2=Hannink, R. |author3=Swain, M.V. | year = 1989| title = Transformation Toughening of Ceramics|location = Boca Raton|publisher = CRC Press|isbn = 978-0-8493-6594-2}}

== แหล่งข้อมูลอื่น ==
* [http://www.tepceram.co.jp/ZrO2.html ジルコニアセラミックスの基礎知識] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20130321160515/http://www.tepceram.co.jp/ZrO2.html |date=2013-03-21 }} – ความรู้พื้นฐานของเซอร์โคเนียเซรามิก (ในภาษาญี่ปุ่น)
* [http://www.stanfordmaterials.com/zr.html Zirconium] – Stanford Materials

[[หมวดหมู่:สารประกอบเซอร์โคเนียม]]
[[หมวดหมู่:วัสดุทนไฟ]]
[[หมวดหมู่:ไฟฟ้าเคมี]]

[[de:Zirconium(IV)-oxid#Stabilisierung]]