זירקונט גדוליניום: חומר מחסום תרמי בר-קיימא בעל ביצועים גבוהים

מוליכות תרמית (κ) מודדת את הקלות שבה חום זורם דרך חומר. ערך ה-κ של גדוליניום זירקונט נמוך באופן מפתיע עבור קרמיקה, במיוחד בטמפרטורות דמויות מנוע. מחקרים מדווחים על ערכים בסדר גודל של 1-2 W·m⁻¹·K⁻¹ בסביבות 1000 מעלות צלזיוס. לצורך ההקשר, זירקוניה מיוצבת איטריה קונבנציונלית (YSZ) - תקן TBC בן עשרות שנים - היא כ-2-3 W·m⁻¹·K⁻¹ בטמפרטורות דומות. במחקר אחד, וו ועמיתיו מצאו כי המוליכות של Gd₂Zr₂O₇ היא ~1.6 W·m⁻¹·K⁻¹ ב-700 מעלות צלזיוס, לעומת ~2.3 עבור YSZ באותם תנאים. דו"ח אחר מציין טווח של 1.0–1.8 W·m⁻¹·K⁻¹ בטמפרטורה של 1000 מעלות צלזיוס עבור גדוליניום זירקונט, "נמוך יותר מ-YSZ". במונחים מעשיים, משמעות הדבר היא ששכבת GdZr₂O₇ תאפשר הרבה פחות חום לעבור דרכה בהשוואה לשכבת YSZ מקבילה בטמפרטורה גבוהה - יתרון עצום לבידוד.

יתרונות עיקריים של גדוליניום זירקונט (Gd₂Zr₂O₇):

מוליכות תרמית נמוכה במיוחד: ~1–2 W/m·K ב-700–1000 מעלות צלזיוס, מתחת משמעותית ל-YSZ.

יציבות פאזה גבוהה: נשאר יציב עד ~1500 מעלות צלזיוס, הרבה מעל למגבלת ~1200 מעלות צלזיוס של YSZ.

התפשטות תרמית גבוהה: מתפשט יותר בחימום מאשר YSZ, מה שיכול להפחית מתחים בציפויים.

עמידות בפני חמצון וקורוזיה: יוצר פאזות תחמוצת יציבות; עמיד בפני משקעי CMAS מותכים טוב יותר מאשר YSZ (זירקונטים של אדמה נדירה נוטים להגיב עם משקעי סיליקט וליצור גבישים מגנים).

השפעה אקולוגית: על ידי שיפור יעילות המנוע/טורבינה, זה מסייע בהפחתת צריכת הדלק והפליטות.

כל אחד מהגורמים הללו קשור ליעילות אנרגטית וקיימות. מכיוון ש-GdZr₂O₇ מבודד טוב יותר, מנועים זקוקים לפחות קירור ויכולים לפעול חם יותר, מה שמתורגם ישירות ליעילות גבוהה יותר וצריכת דלק נמוכה יותר. כפי שמחקר של אוניברסיטת וירג'יניה מציין, יעילות טובה יותר של TBC פירושה שריפת "פחות דלק כדי לייצר את אותה כמות אנרגיה, וכתוצאה מכך... פליטות גזי חממה נמוכות יותר". בקיצור, גדוליניום זירקונט יכול לעזור למכונות לפעול בצורה נקייה יותר.

מוליכות תרמית בפירוט

כדי לענות על השאלה המרכזית "מהי המוליכות התרמית של גדוליניום זירקונט?": היא נמוכה מאוד עבור קרמיקה, בערך 1-2 W·m⁻¹·K⁻¹ בטווח 700-1000 מעלות צלזיוס. ממצא זה אושר על ידי מחקרים רבים. וו ועמיתיו מדווחים על ≈1.6 W/m·K ב-700 מעלות צלזיוס עבור Gd₂Zr₂O₇, בעוד ש-YSZ נמדד על ≈2.3 באותם תנאים. שן ועמיתיו מציינים "1.0-1.8 W/m·K ב-1000 מעלות צלזיוס". לעומת זאת, המוליכות של YSZ ב-1000 מעלות צלזיוס היא בדרך כלל סביב 2-3 W/m·K. במונחים יומיומיים, דמיינו שני אריחי בידוד על כיריים חמות: זה עם GdZr₂O₇ שומר על הצד האחורי קריר הרבה יותר מאשר אריח YSZ באותו עובי.

מדוע Gd₂Zr₂O₇ נמוך בהרבה? מבנה הגביש שלו מטבעו מעכב את זרימת החום. ריק החמצן בכל תא יחידה מפזר פונונים (נושאי חום), ומשקלו האטומי הכבד של גדוליניום מדכא עוד יותר את רעידות הסריג. כפי שמסביר מקור אחד, "ריק חמצן מגביר את פיזור הפונונים ומקטין את המוליכות התרמית". יצרנים מנצלים תכונה זו: בקטלוג של Epomaterial מציין ש-GdZr₂O₇ משמש בציפויי מחסום תרמי המרוססים בפלזמה במיוחד בגלל κ הנמוך שלו. למעשה, המיקרו-מבנה שלו לוכד חום בפנים, ומגן על המתכת שמתחת.