Основные области применения иттрия в сплавах и люминофорах

Введение

Иттрий, с химической формулой Y, является одним из редкоземельных элементов из-за его схожих физико-химических свойств с другими редкоземельными элементами и ранних исторических причин. Это серебристый, мягкий переходный металл, химически близкий к группе лантаноидов, особенно к группе тяжелых редкоземельных элементов, атомный номер которых составляет от 63 до 71. Электронная конфигурация иттрия - [Kr]^5s24d1. Он предпочитает терять 3 электрона, чтобы сформировать 8-электронную стабильную структуру, поэтому его степень окисления +3. _Y2O3 - одно из наиболее распространенных соединений иттрия.

Содержание иттрия в земной коре составляет 31 промилле, это ^28-й по распространенности элемент, примерно в 26000 раз более распространенный, чем золото, Au. Иттрий обычно встречается вместе с другими лантанидами в редкоземельных минералах в качестве побочного продукта. Большая часть иттрия поступает из следующих трех источников:

1. Ксенотим: фосфатный минерал, содержащий ортофосфат иттрия (_YPO4).
2. Монацит: красновато-коричневый фосфатный минерал, содержащий редкоземельные элементы
3. Бастнезит: минерал фторкарбоната кальция с церием, лантаном и иттрием.

Иттрий широко используется во многих областях, таких как люминофоры в телевизионных трубках, энергоэффективное освещение и топливные элементы [2], металлургия, керамика, сверхпроводники и так далее. В этой статье речь пойдет в основном об иттрии, используемом в сплавах и люминофорах.

Иттрий используется в качестве добавки в сплавы

Иттрий используется в производстве сплавов благодаря своим раскисляющим, десульфурирующим, денитрифицирующим и дегазирующим эффектам, которые объясняются его низким термодинамическим потенциалом окисления [1]. Добавление некоторого количества иттрия, например, в сплав Ni-20Cr может значительно повысить его устойчивость к высокотемпературному окислению. Но подробные причины этого до сих пор неизвестны, хотя было выдвинуто множество гипотез и проведено множество исследований. Есть два возможных объяснения:

1. Добавление иттрия может уменьшить прирост массы сплава. (Прирост массы означает общее увеличение массы сплава за счет поглощения атомов или молекул из окружающей среды. Он может быть вызван коррозией, окислением и осадками).
2. Добавление иттрия улучшает сцепление сплавов с поверхностью.

В качестве примера здесь приведен сплав глинозема с добавлением иттрия.

Сплав Fe-20Cr-4Al и имплантация иттрия

Fe-20Cr-4Al - это сплав, состоящий из 20 % Cr, 4 % Al и Fe в качестве балансового железа. Он часто используется в высокотемпературных приложениях, таких как камеры сгорания или теплообменники. Он обладает хорошей устойчивостью к окислению и коррозии при высоких температурах.

Вот шаги по имплантации иттрия в сплав Fe-20Cr-4Al:

Повторите горячую и холодную прокатку сплава Fe-20Cr-4Al, чтобы получить лист толщиной 0,5 мм. Используйте имплантер для имплантации ионов иттрия в сплав. Используйте спектроскопию обратного рассеяния Резерфорда (RBS) для точного измерения концентрации иттрия в сплаве. В данном случае мы используем сплавы с имплантацией от 0,01% до 0,5% Y.

Эксперимент и обсуждение результатов

Используем сплавы Fe-20Cr-4Al-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5)Y и подвергаем их воздействию _O2 в течение 5 часов при температуре 1200℃. На рис. 1 показано уменьшение прироста массы от Fe-20Cr-4Al до Fe-20Cr-4Al-0.1Y. После этого прирост массы снова увеличивается [1].

Рисунок 1. Изменение прироста массы сплавов Fe-20Cr-4Al-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3)Y в течение 5 часов при1200℃ в _O2 [1].

Нарис. 2 показан внешний вид поверхности этих сплавов после воздействия O2. Поверхность стандартного сплава FeCrAl начинает выпадать.

От (b) до (h) оба сплава образуют оксидную поверхность для защиты материала в середине. (b) и (c) все еще имеют небольшие сколы на поверхности. По мере увеличения концентрации иттрия поверхность оксида формируется лучше, чтобы защитить себя. В диапазоне от 0,1Y до 0,5Y их поверхности намного темнее, чем в диапазоне от 0Y до 0,05Y. Используя рентгеновскую дифракцию для определения поверхности сплавов, мы получили следующие наблюдения [1].

(a) образует очень слабую кристаллическую структуру поверхности Al2O3. От (b) до (h) все они образуют прочную структуру Al2O3.

От (f) до (h) они также образуют очень слабые кристаллические структуры Y3Al5O12.

_Y3Al5O12, также называемый иттрий-глиноземным гранатом (YAG), - это синтетический материал, обладающий высокотемпературными, высокопрочными и химически стабильными характеристиками. Формирование YAG может быть одной из причин того, что прирост массы увеличивается с 0,1Y до 0,5Y. Но это увеличение массы не означает, что устойчивость сплава к высокотемпературному окислению снижается. На самом деле, с увеличением концентрации Y сплав демонстрирует лучшую устойчивость к окислению и коррозии при высокой температуре.

Рисунок 2: фотографии поверхности сплавов FeCrAl-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3)Y в течение 5 часов при1200℃ в _O2 [1]. (a) 0Y; (b) 0Y с очисткой; (c) 0.01Y; (d) 0.02Y; (e) 0.05Y; (f) 0.1Y; (g) 0.2Y; (h) 0.3Y

Иттрий используется в люминофорах

Люминофоры - это вещества, которые принимают излучение и излучают свет. Основной принцип заключается в том, что орбитальные электроны люминофора получают энергию излучения, возбуждаются и переходят на более высокие орбитали. В конце концов, эти электроны возвращаются в свое основное состояние. Энергия, полученная в результате такого поведения, излучает свет.

Элементы, используемые в люминофоре, напрямую влияют на свет, который люминофор излучает. Благодаря стабильному, узкому и эффективному красному излучению иттрия, Y2O3 используется в люминофорах для цветных телевизоров, компьютерных мониторов, светоизлучающих диодов (LED) и экранов с рентгеновским усилением [2].

Обычный светодиод производит холодный белый свет. Фосфорно-конвертированные теплые белые светодиоды (pc-WLEDs) - это новая светодиодная технология [3]. Наноразмерный Y2O3 может добавить некоторые красные компоненты в люминофор, чтобы светодиод излучал более теплый и качественный свет.

Заключение

Иттрий - один из редкоземельных элементов. Благодаря своим уникальным свойствам Y широко используется в люминофорах и сплавах. Существует еще множество применений и соединений иттрия, о которых мы сегодня не упомянули. Компания Stanford Advanced Materials (SAM) предлагает различные виды иттрия. Если вам нужна дополнительная информация об иттрии или соединениях иттрия, вы можете предоставить информацию о своем применении нашим техническим специалистам для получения консультации.

Ссылка

1. Волкертс, Б. Д. (ред.). (2010). Иттрий: Соединения, производство и применение: соединения, производство и применение. Nova Science Publishers, Incorporated.
2. Чжан, К., Клейт, А. Н., & Нието, А. (2017). Экономическая стратегия для критичности - применение к редкоземельному элементу иттрию в новой технологии освещения и его устойчивое наличие. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 77, 899-915. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.127
3. Petry, J., Komban, R., Gimmler, C., & Weller, H. (2022). Простой синтез люминесцентных нанодисков из оксида иттрия y2O3:eu, легированного европием, для преобразованных в люминофор теплых белых светодиодов. Nanoscale Advances, 4(3), 858-864. https://doi.org/10.1039/d1na00831e