Yttrium (İtriyum) ve Scandium (Skandiyum), nadir toprak elementleri ailesinin değerli üyeleridir ve özellikle yüksek sıcaklık uygulamaları için tasarlanmış gelişmiş seramiklerin üretiminde kritik rol oynarlar. Bu seramikler, enerji dönüşüm sistemlerinden (örneğin yakıt hücreleri) termal bariyer kaplamalara kadar geniş bir alanda kullanılır. Bu tür uygulamalarda, malzemenin en önemli özelliği, sıcaklığı ne kadar etkili bir şekilde iletebildiği veya yalıtabildiği, yani termal iletkenliğidir.
Yüksek performanslı seramiklerin tasarlanması ve güvenilirliği için, Yttrium ve Scandium içeren malzemelerin termal iletkenlik değerlerinin hassas bir şekilde ölçülmesi ve karakterize edilmesi zorunludur.
Yttrium Oksit (Yttria - Y2O3) ve Scandium Oksit (Sc2O3), mükemmel yapısal stabilite, yüksek erime noktası ve üstün kimyasal direnç sunar. Bu elementler genellikle aşağıdaki amaçlarla seramik matrislere dahil edilir:
Yapısal Stabilizasyon: Özellikle Zirkonya (ZrO2) gibi malzemelere Yttrium eklenmesi, seramiğin yüksek sıcaklıklarda faz geçişlerini önleyerek dayanıklılığını (Yttria-Stabilize Zirkonya - YSZ) artırır.
İyon İletkenliği: Bazı seramiklerde Yttrium ve Scandium katkısı, oksijen iyonlarının seramik kafes içinde hareket etmesini kolaylaştırarak katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) gibi cihazlarda iyonik iletkenliği maksimize eder.
Termal Yalıtım: Termal bariyer kaplamalar için düşük termal iletkenlik istenir. Bu elementlerin doğru oranlarda eklenmesi, kafes kusurları yaratarak ısıyı ileten titreşimleri (fotonları) dağıtır ve iletkenliği düşürür.
Termal iletkenlik (k), bir malzemenin birim kesit alanından birim zamanda ne kadar ısı transfer edebildiğini gösteren temel bir malzemedir. Termal iletkenlik, genellikle sıcaklık ve malzemenin yoğunluğu gibi faktörlere bağlıdır.
Yttrium ve Scandium içeren seramiklerin termal iletkenliğini ölçmek için iki ana yöntem kullanılır:
LFA, seramiklerin termal iletkenliğini ölçmek için en yaygın ve güvenilir yöntemdir. Genellikle 1000 santigrat dereceye kadar olan sıcaklıklarda kullanılabilir.
Prensip: Silindirik bir numunenin ön yüzü, kısa bir lazer darbesiyle (flaş) aniden ısıtılır.
Ölçüm: Numunenin arka yüzeyindeki sıcaklık artışı, hassas bir dedektör (genellikle kızılötesi) ile zamanın bir fonksiyonu olarak kaydedilir.
Hesaplama: Bu ölçülen sıcaklık artış süresi (termal yayınım, $\alpha$), malzemenin yoğunluğu ($\rho$) ve özgül ısısı ($C_{p}$) kullanılarak termal iletkenlik (k) dolaylı olarak hesaplanır.
k = $\alpha$ $\cdot$ $\rho$ $\cdot$ $C_{p}$
Önemi: LFA, katı seramik gövdelerin termal yalıtım kapasitesini (düşük k) veya ısı yayma yeteneğini (yüksek k) belirlemek için hayati önem taşır.
TPS, geniş bir sıcaklık aralığında ve farklı geometrilerdeki numuneler için kullanılabilen geçici bir tekniktir.
Prensip: İnce, çift spiral şeklindeki bir ısıtıcı ve sensör (prob), iki özdeş seramik numune arasına yerleştirilir.
Ölçüm: Prob, hem ısı kaynağı hem de sıcaklık sensörü olarak işlev görür. Kısa bir süre boyunca ısıtılırken, numunelerdeki sıcaklık artışı kaydedilir.
Hesaplama: Kaydedilen sıcaklık artış eğrisinin analizi ile aynı anda hem termal iletkenlik (k) hem de termal yayınım ($\alpha$) belirlenir.
Önemi: Bu yöntem, özellikle porozite (gözeneklilik) ve yabancı katkıların termal iletkenlik üzerindeki etkilerini incelemek için kullanışlıdır.
Yttrium ve Scandium katkısının termal iletkenlik üzerindeki etkisi, malzemenin nihai uygulamasını belirler.
Düşük İletkenlik İsteniyorsa (Termal Bariyer): Sc2O3, Y2O3'e kıyasla daha küçük bir iyonik yarıçapa sahip olduğundan, Zirkonya kafesindeki kusurları daha etkili bir şekilde dağıtarak daha düşük termal iletkenlik değerleri sağlayabilir. Bu durum, uçak motoru parçaları için istenir.
Yüksek İyonik İletkenlik İsteniyorsa (Yakıt Hücreleri): Termal iletkenliğin düşük olması, hücre verimini düşürebilir. Bu nedenle iyonik iletkenliği maksimize eden (örneğin belirli bir Yttria yüzdesi) ve kabul edilebilir bir termal iletkenlik sunan optimum bileşimler aranır.
