Principali applicazioni dell'ittrio nelle gambe e nei fosfori

Introduzione

L'ittrio, con formula chimica Y, è uno degli elementi delle terre rare per le sue proprietà fisiche e chimiche simili a quelle di altri elementi delle terre rare e per le prime ragioni storiche. Si tratta di un metallo di transizione argenteo e tenero, chimicamente simile al gruppo dei lantanidi, in particolare al gruppo delle terre rare pesanti, il cui numero atomico è compreso tra 63 e 71. La configurazione elettronica dell'ittrio è [Kr]24s24. La configurazione elettronica dell'ittrio è [Kr^]5s24d1. Si preferisce perdere 3 elettroni per formare una struttura stabile di 8 elettroni, per cui il suo stato di ossidazione è +3. _Y2O3 è uno dei composti di ittrio più comunemente utilizzati.

L'ittrio ha 31 ppm nella crosta ed è ^il28° elemento più abbondante, circa 26000 volte più comune dell'oro, Au. L'ittrio si trova di solito con altri lantanidi nei minerali delle terre rare come sottoprodotto. La maggior parte dell'ittrio proviene dalle 3 fonti seguenti:

1. Xenotime: un minerale fosfatico che contiene ortofosfato di ittrio_(YPO4).
2. Monazite: un minerale fosfatico di colore bruno-rossastro che contiene elementi di terre rare.
3. Bastnaesite: minerale di calcio fluorocarbonato con cerio, lantanio e ittrio.

L'ittrio è ampiamente utilizzato in molti settori, come i fosfori nei tubi televisivi, l'illuminazione ad alta efficienza energetica e le celle a combustibile [2], la metallurgia, la ceramica, i superconduttori e così via. Questo articolo si concentra principalmente sull'ittrio utilizzato nelle leghe e nei fosfori.

L'ittrio utilizzato come additivo nelle leghe

L'ittrio è utilizzato nell'industria delle leghe per i suoi effetti disossidanti, desolforanti, denitrificanti o degassanti, spiegati dal suo basso potenziale termodinamico di ossidazione [1]. L'aggiunta di una certa quantità di ittrio, ad esempio, nella lega Ni-20Cr può migliorare notevolmente la sua resistenza all'ossidazione ad alta temperatura. Ma le ragioni dettagliate sono ancora sconosciute, sebbene siano state fatte molte ipotesi e ricerche. Le spiegazioni possibili sono due:

1. L'aggiunta di ittrio può ridurre l'aumento di massa delle leghe. (Per guadagno di massa si intende l'aumento di massa totale di una lega dovuto all'assorbimento di atomi o molecole dall'ambiente. Può essere causato da corrosione, ossidazione e precipitazione).
2. L'aggiunta di ittrio migliora l'aderenza superficiale delle gambe.

In questo caso, la lega di allumina con aggiunta di ittrio è presa come esempio.

Lega Fe-20Cr-4Al e impianto di ittrio

Fe-20Cr-4Al è una lega composta dal 20% di Cr, 4% di Al e Fe come ferro di bilanciamento. Viene spesso utilizzata in applicazioni ad alta temperatura, come camere di combustione o scambiatori di calore. Ha una buona resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alte temperature.

Ecco i passaggi per impiantare l'ittrio nella lega Fe-20Cr-4Al:

Ripetere la laminazione a caldo e a freddo della lega Fe-20Cr-4Al per ottenere una lastra di 0,5 mm di spessore. Utilizzare l'implanter per impiantare lo ione ittrio nella lega. Utilizzare la spettroscopia di retrodiffusione di Rutherford (RBS) per misurare con precisione la concentrazione di ittrio nella lega. In questo caso utilizziamo leghe impiantate allo 0,01%-0,5% di Y.

Esperimento e discussione dei risultati

Utilizziamo leghe Fe-20Cr-4Al-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5)Y e le esponiamo sotto _O2 per 5h a 1200℃. La Figura 1 mostra una diminuzione del guadagno di massa da Fe-20Cr-4Al a Fe-20Cr-4Al-0,1Y. Successivamente, il guadagno di massa aumenta nuovamente [1].

Figura 1: Variazione del guadagno di massa delle leghe Fe-20Cr-4Al-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3)Y in 5 orea1200℃ in _O2 [1].

LaFigura2 mostra l'aspetto superficiale di queste leghe dopo l'esposizione all'O2. La superficie della lega FeCrAl standard inizia a staccarsi.

Da (b) a (h), entrambe formano una superficie di ossido per proteggere il materiale al centro. (b) e (c) presentano ancora lievi spallette sulla loro superficie. All'aumentare della concentrazione di ittrio, la superficie di ossido si forma meglio per proteggersi. Da 0,1Y a 0,5Y, le loro superfici sono molto più sicure di quelle da 0Y a 0,05Y. Utilizzando la diffrazione dei raggi X per rilevare la superficie delle gambe, si ottengono le seguenti osservazioni [1].

(a) forma una struttura superficiale cristallina di Al2O3 molto debole. Da (b) a (h), tutte formano Al2O3 forte.

Da (f) a (h), formano anche strutture cristalline Y3Al5O12 molto deboli.

L_'Y3Al5O12, chiamato anche granato di ittrio-allumina (YAG), è un materiale sintetico con caratteristiche di alta temperatura, alta resistenza e stabilità chimica. La formazione di YAG può essere uno dei motivi per cui il guadagno di massa aumenta da 0,1Y a 0,5Y. Ma questo aumento di massa non significa che la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura della lega si riduca. Infatti, con l'aumento della concentrazione di Y, la lega mostra una migliore resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura.

Figura 2: foto della superficie delle leghe FeCrAl-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3)Y sottoposte a 5ha1200℃ in _O2 [1]. (a) 0Y; (b) 0Y con purificato; (c) 0,01Y; (d) 0,02Y; (e) 0,05Y; (f) 0,1Y; (g) 0,2Y; (h) 0,3Y

L'ittrio utilizzato nei fosfori

I fosfori sono sostanze che ricevono radiazioni ed emettono luce. Il principio di base è che gli elettroni orbitali del fosforo ricevono l'energia della radiazione, si eccitano e passano a orbitali più alti. Infine, questi elettroni tornano al loro stato fondamentale. L'energia prodotta da questo comportamento emette luce.

Gli elementi utilizzati nel fosforo influiscono direttamente sulla luce che il fosforo emette. Grazie all'emissione rossa stabile, stretta ed efficiente dell'ittrio, l ' Y2O3 è utilizzato nei fosfori per TV a colori, monitor di computer, diodi a emissione luminosa (LED) e schermi intensificati dai raggi X [2].

I LED generici producono una luce bianca fredda. I diodi ad emissione di luce bianca calda convertiti con fosforo (pc-WLED) sono la nuova tecnologia LED [3]. L'Y2O3 di dimensioni nanometriche può aggiungere alcuni componenti rossi nel fosforo per far sì che il LED emetta una luce più calda e di alta qualità.

Conclusione

L'ittrio è uno degli elementi delle terre rare. Grazie alle sue proprietà uniche, l'ittrio è ampiamente utilizzato nei fosfori e nelle leghe. Ci sono ancora molte applicazioni e composti di ittrio che non sono stati menzionati oggi. Stanford Advanced Materials (SAM) fornisce diversi tipi di ittrio. Se desiderate maggiori informazioni sull'ittrio o sui composti di ittrio, potete fornire le vostre informazioni applicative al nostro personale tecnico per una consulenza.

Riferimento

1. Volkerts, B. D. (a cura di). (2010). Ittrio: Composti, produzione e applicazioni: composti, produzione e applicazioni. Nova Science Publishers, Incorporated.
2. Zhang, K., Kleit, A. N., & Nieto, A. (2017). Una strategia economica per la criticità - applicazione all'ittrio, elemento delle terre rare, nelle nuove tecnologie di illuminazione e alla sua disponibilità sostenibile. 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). Semplice sintesi one-pot di nanodischi di ossido di ittrio drogato con europio luminescente y2O3:eu per LED bianchi caldi a conversione di fosforo. Nanoscale Advances, 4(3), 858-864. https://doi.org/10.1039/d1na00831e