Hauptanwendungen von Yttrium in Legierungen und Leuchtstoffen

Einführung

Yttrium, mit der chemischen Formel Y, gehört zu den Seltenen Erden, da es ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften wie andere Seltene Erden hat und aus historischen Gründen. Es ist ein silbernes, weiches Übergangsmetall, das chemisch der Gruppe der Lanthanide und insbesondere der Gruppe der schweren Seltenen Erden ähnelt, deren Ordnungszahl zwischen 63 und 71 liegt. Die Elektronenkonfiguration von Yttrium ist [Kr]^5s24d1. Es zieht es vor, 3 Elektronen zu verlieren, um eine stabile Struktur mit 8 Elektronen zu bilden, so dass seine Oxidationsstufe +3 ist. _Y2O3 ist eine der am häufigsten verwendeten Yttriumverbindungen.

Yttrium kommt in der Erdkruste in 31 ppm vor und ist das^28. häufigste Element, etwa 26000-mal häufiger als Gold (Au). Yttrium wird in der Regel zusammen mit anderen Lanthaniden als Nebenprodukt in Seltenerdmineralien gefunden. Das meiste Yttrium stammt aus den folgenden 3 Quellen:

1. Xenotim: ein Phosphatmineral, das Yttriumorthophosphat (_YPO4) enthält
2. Monazit: ein rötlich-braunes Phosphatmineral, das Seltenerdmetalle enthält
3. Bastnaesit: ein Calciumfluorkarbonat-Mineral mit Cer, Lanthan und Yttrium

Yttrium wird in vielen Bereichen eingesetzt, z. B. als Leuchtstoff in Fernsehröhren, energieeffizienter Beleuchtung und Brennstoffzellen [2], in der Metallurgie, in der Keramik, in Supraleitern usw. Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich mit Yttrium, das in Legierungen und Leuchtstoffen verwendet wird.

Yttrium als Legierungszusatz

Yttrium wird in der Legierungsindustrie wegen seiner desoxidierenden, entschwefelnden, entstickenden oder entgasenden Wirkung verwendet, die auf sein niedriges thermodynamisches Oxidationspotenzial zurückzuführen ist [1]. Die Zugabe einer gewissen Menge Yttrium zu einer Ni-20Cr-Legierung kann deren Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit erheblich verbessern. Die genauen Gründe dafür sind jedoch trotz zahlreicher Hypothesen und Forschungsarbeiten noch unbekannt. Es gibt zwei mögliche Erklärungen:

1. Die Zugabe von Yttrium kann die Massenzunahme der Legierung verringern. (Unter Massenzunahme versteht man die gesamte Massenzunahme in einer Legierung aufgrund der Aufnahme von Atomen oder Molekülen aus der Umgebung. Sie kann durch Korrosion, Oxidation und Ausfällung verursacht werden).
2. Der Zusatz von Yttrium verbessert die Oberflächenhaftung der Legierungen.

Hier wird eine Aluminiumoxidlegierung mit Yttriumzusatz als Beispiel genommen.

Fe-20Cr-4Al-Legierung und Yttriumimplantation

Fe-20Cr-4Al ist eine Legierung, die aus 20 % Cr, 4 % Al und Fe als Rest Eisen besteht. Sie wird häufig in Hochtemperaturanwendungen wie Brennkammern oder Wärmetauschern eingesetzt. Sie hat eine gute Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion bei hohen Temperaturen.

Im Folgenden wird beschrieben, wie wir Yttrium in die Legierung Fe-20Cr-4Al implantieren:

Wiederholtes Warm- und Kaltwalzen der Fe-20Cr-4Al-Legierung, um ein 0,5 mm dickes Blech herzustellen. Verwenden Sie den Implanter, um Yttrium-Ionen in die Legierung zu implantieren. Verwenden Sie die Rutherford-Rückstreuungsspektroskopie (RBS), um die Yttriumkonzentration in der Legierung genau zu messen. Hier verwenden wir 0,01% bis 0,5% Y-implantierte Legierungen.

Experiment und Ergebnisdiskussion

Wir verwenden Fe-20Cr-4Al-(0, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5)Y-Legierungen und setzen sie 5 Stunden lang unter_O2 bei 1200℃ aus. Abbildung 1 zeigt eine Abnahme des Massengewinns von Fe-20Cr-4Al bis Fe-20Cr-4Al-0,1Y. Danach nimmt der Massenzuwachs wieder zu [1].

Abbildung 1: Änderung der Massenzunahme von Fe-20Cr-4Al-(0, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3)Y-Legierungen nach 5 Stunden bei1200℃ in_O2 [1].

Abbildung 2 zeigt das Aussehen der Oberfläche dieser Legierungen nach der O2-Exposition. Die Oberfläche der Standard-FeCrAl-Legierung beginnt abzufallen.

Von (b) bis (h) bilden beide eine Oxidoberfläche, um das Material in der Mitte zu schützen. (b) und (c) haben noch leichte Ausbrüche auf ihrer Oberfläche. Mit zunehmender Yttriumkonzentration bildet sich die Oxidoberfläche besser aus, um sich selbst zu schützen. Von 0,1Y bis 0,5Y sind die Oberflächen viel dunkler als die von 0Y bis 0,05Y. Mit Hilfe der Röntgenbeugung zur Bestimmung der Oberfläche der Legierungen lassen sich folgende Beobachtungen machen [1].

(a) bildet eine sehr schwache Al2O3-Kristalloberflächenstruktur. Von (b) bis (h) bilden sie alle starkes Al2O3.

Von (f) bis (h) bilden sie ebenfalls sehr schwache Y3Al5O12-Kristallstrukturen aus.

_Y3Al5O12, auch Yttriumoxid-Granat (YAG) genannt, ist ein synthetisches Material, das sich durch hohe Temperaturen, hohe Festigkeit und chemische Stabilität auszeichnet. Die Bildung von YAG kann ein Grund dafür sein, dass der Massenzuwachs von 0,1Y auf 0,5Y steigt. Diese Zunahme der Masse bedeutet jedoch nicht, dass die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit der Legierung abnimmt. Tatsächlich zeigt die Legierung mit zunehmender Y-Konzentration eine bessere Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion bei hohen Temperaturen.

Abbildung 2: Oberflächenfotos von FeCrAl-(0, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3)Y-Legierungen unter 5h bei1200℃ in_O2 [1]. (a) 0Y; (b) 0Y mit gereinigtem; (c) 0,01Y; (d) 0,02Y; (e) 0,05Y; (f) 0,1Y; (g) 0,2Y; (h) 0,3Y

Yttrium in Leuchtstoffen verwendet

Leuchtstoffe sind Substanzen, die Strahlung empfangen und Licht aussenden. Das Grundprinzip ist, dass die Orbitalelektronen des Leuchtstoffs die Strahlungsenergie aufnehmen, angeregt werden und in höhere Orbitale wandern. Schließlich kehren diese Elektronen in ihren Grundzustand zurück. Die durch dieses Verhalten erzeugte Energie führt zur Emission von Licht.

Die im Leuchtstoff verwendeten Elemente wirken sich direkt auf das Licht aus, das der Leuchtstoff aussendet. Aufgrund der stabilen, schmalen und effizienten roten Emission von Yttrium wird Y2O3 in Leuchtstoffen für Farbfernseher, Computermonitore, Leuchtdioden (LED) und röntgenstrahlenverstärkte Bildschirme verwendet [2].

Allgemeine LED erzeugen kaltweißes Licht. Phosphorkonvertierte warmweiße Leuchtdioden (pc-WLEDs) sind die neue LED-Technologie [3]. Y2O3 in Nanogröße kann dem Phosphor einige rote Komponenten hinzufügen, damit die LED ein wärmeres und qualitativ hochwertiges Licht abgibt.

Schlussfolgerung

Yttrium ist eines der Elemente der Seltenen Erden. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wird Y häufig in Leuchtstoffen und Legierungen verwendet. Es gibt noch viele Anwendungen und Yttriumverbindungen, die heute noch nicht erwähnt sind. Stanford Advanced Materials (SAM) bietet verschiedene Arten von Yttrium an. Wenn Sie weitere Informationen über Yttrium oder Yttriumverbindungen wünschen, können Sie sich mit Ihren Anwendungsinformationen an unsere technischen Mitarbeiter wenden.

Referenz

1. Volkerts, B. D. (Hrsg.). (2010). Yttrium: Compounds, production, and applications: Verbindungen, Herstellung und Anwendungen. Nova Science Publishers, Incorporated.
2. Zhang, K., Kleit, A. N., & Nieto, A. (2017). Eine ökonomische Strategie für Kritikalität - Anwendung auf das Seltene Erden-Element Yttrium in der neuen Beleuchtungstechnik und seine nachhaltige Verfügbarkeit. 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). Simple one-pot synthesis of luminescent europium doped yttrium oxide y2O3:eu nanodiscs for phosphor-converted warm white LEDs. Nanoscale Advances, 4(3), 858-864. https://doi.org/10.1039/d1na00831e