Principais aplicações do ítrio em ligas e fósforos

Introdução

O ítrio, com a fórmula química Y, é um dos elementos de terras raras devido às suas propriedades físicas e químicas semelhantes às de outros elementos de terras raras e a razões históricas antigas. É um metal de transição prateado e macio que é quimicamente semelhante ao grupo dos lantanídeos, especialmente ao grupo dos elementos pesados de terras raras, cujo número atômico varia de 63 a 71. A configuração eletrônica do ítrio é [Kr]^5s24d1. Ele prefere perder 3 elétrons para formar uma estrutura estável de 8 elétrons, de modo que seu estado de oxidação é +3. O _Y2O3 é um dos compostos de ítrio mais comuns utilizados.

O ítrio tem 31 ppm na crosta e é o^28º elemento mais abundante, cerca de 26.000 vezes mais comum que o ouro, Au. O ítrio é normalmente encontrado com outros lantanídeos em minerais de terras raras como um subproduto. A maior parte do ítrio vem das três fontes a seguir:

1. Xenotime: um mineral de fosfato que contém ortofosfato de ítrio (_YPO4)
2. Monazita: um mineral de fosfato marrom-avermelhado que contém elementos de terras raras
3. Bastnaesita: um mineral de fluorocarbonato de cálcio com cério, lantânio e ítrio

O ítrio é amplamente utilizado em muitas áreas, como fósforos em tubos de TV, iluminação com eficiência energética e células de combustível [2], metalurgia, cerâmica, supercondutores e assim por diante. Este artigo se concentrará principalmente no ítrio usado em ligas e fósforos.

Ítrio usado como um aditivo de liga

O ítrio é usado nos setores de ligas devido aos seus efeitos de desoxidação, dessulfurização, desnitrificação ou desgaseificação, que são explicados pelo seu baixo potencial de oxidação termodinâmica [1]. Adicionar alguma quantidade de ítrio, por exemplo, à liga de Ni-20Cr pode melhorar muito sua resistência à oxidação em alta temperatura. Mas os motivos detalhados ainda são desconhecidos, embora muitas hipóteses e pesquisas tenham sido feitas. Há duas explicações possíveis:

1. A adição de ítrio pode reduzir o ganho de massa das ligas. (Ganho de massa significa o aumento total de massa em uma liga devido à absorção de átomos ou moléculas do ambiente. Ele pode ser causado por corrosão, oxidação e precipitação).
2. A adição de ítrio aumenta a aderência da superfície das ligas.

Aqui, a liga de alumina com adição de ítrio é tomada como exemplo.

Liga Fe-20Cr-4Al e implantação de ítrio

Fe-20Cr-4Al é uma liga composta por 20% de Cr, 4% de Al e Fe como ferro de equilíbrio. Ela é frequentemente usada em aplicações de alta temperatura, como câmaras de combustão ou trocadores de calor. Ela tem boa resistência à oxidação e à corrosão em altas temperaturas.

Veja a seguir as etapas para implantar o ítrio na liga Fe-20Cr-4Al:

Repita a laminação a quente e a frio com a liga Fe-20Cr-4Al para produzir uma folha de 0,5 mm de espessura. Use o implantador para implantar íons de ítrio na liga. Use a espectroscopia de retroespalhamento Rutherford (RBS) para medir com precisão a concentração de ítrio na liga. Aqui, usamos ligas implantadas com 0,01% a 0,5% de ítrio.

Discussão de experimentos e resultados

Use as ligas Fe-20Cr-4Al-(0, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5)Y e exponha-as sob_O2 por 5 horas a 1200°C. A Figura 1 mostra uma diminuição no ganho de massa de Fe-20Cr-4Al para Fe-20Cr-4Al-0.1Y. Depois disso, o ganho de massa aumenta novamente [1].

Figura 1: Alteração do ganho de massa das ligas Fe-20Cr-4Al-(0, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3)Y durante 5h a1200°C em_O2 [1].

A Figura 2 mostra a aparência da superfície dessas ligas após a exposição ao O2. A superfície da liga FeCrAl padrão começa a se desprender.

De (b) a (h), ambas formam uma superfície de óxido para proteger o material no meio. (b) e (c) ainda têm pequenas lascas em sua superfície. À medida que a concentração de ítrio aumenta, a superfície de óxido se forma melhor para se proteger. De 0,1Y a 0,5Y, suas superfícies são muito mais escuras do que as de 0Y a 0,05Y. Usando a difração de raios X para detectar a superfície das ligas, obtemos as seguintes observações [1].

(a) forma uma estrutura de superfície de cristal Al2O3 muito fraca. De (b) a (h), todas formam Al2O3 forte.

De (f) a (h), elas também formam estruturas cristalinas Y3Al5O12 muito fracas.

O _Y3Al5O12, também chamado de granada de ítria alumina (YAG), é um material sintético com características de alta temperatura, alta resistência e quimicamente estável. A formação de YAG pode ser uma das razões pelas quais o ganho de massa aumenta de 0,1Y para 0,5Y. Mas esse aumento de ganho de massa não significa que a resistência à oxidação em alta temperatura da liga seja reduzida. De fato, à medida que a concentração de Y aumenta, a liga apresenta melhor resistência à oxidação e à corrosão em alta temperatura.

Figura 2: fotos da superfície das ligas FeCrAl-(0, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3)Y durante 5 horas a1200°C em_O2 [1]. (a) 0Y; (b) 0Y com purificado; (c) 0,01Y; (d) 0,02Y; (e) 0,05Y; (f) 0,1Y; (g) 0,2Y; (h) 0,3Y

Ítrio usado em fósforos

Os fósforos são substâncias que recebem radiação e emitem luz. O princípio básico é que os elétrons orbitais do fósforo recebem a energia da radiação, ficam excitados e vão para orbitais superiores. Por fim, esses elétrons voltam aos seus estados fundamentais. A energia produzida por esse comportamento emitirá luz.

Os elementos usados no fósforo afetam diretamente a luz que o fósforo emite. Devido à emissão vermelha estável, estreita e eficiente do ítrio, o Y2O3 é usado em fósforos para TVs coloridas, monitores de computador, diodos emissores de luz (LED) e telas intensificadas por raios X [2].

O LED geral produz luz branca fria. Os diodos emissores de luz branca quente convertidos em fósforo (pc-WLEDs) são a nova tecnologia de LED [3]. O Y2O3 nanométrico pode adicionar alguns componentes vermelhos no fósforo para fazer com que o LED emita uma luz mais quente e de alta qualidade.

Conclusão

O ítrio é um dos elementos de terras raras. Devido às suas propriedades exclusivas, o ítrio é amplamente utilizado em fósforos e ligas. Ainda há muitas aplicações e compostos de ítrio que não foram mencionados hoje. A Stanford Advanced Materials (SAM) fornece diferentes tipos de ítrio. Se quiser obter mais informações sobre o ítrio ou os compostos de ítrio, forneça suas informações de aplicação à nossa equipe técnica para obter orientação.

Referência

1. Volkerts, B. D. (Ed.). (2010). Yttrium: Compounds, production, and applications: compostos, produção e aplicações. Nova Science Publishers, Incorporated.
2. Zhang, K., Kleit, A. N., & Nieto, A. (2017). Uma estratégia econômica para criticidade - aplicação ao elemento de terras raras ítrio na nova tecnologia de iluminação e sua disponibilidade sustentável. 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). Síntese simples de nanodiscos luminescentes de óxido de ítrio dopado com európio y2O3:eu para LEDs brancos quentes convertidos por fósforo. Nanoscale Advances, 4(3), 858-864. https://doi.org/10.1039/d1na00831e