Zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium

La zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium, ou YSZ, souvent appelée simplement zircone stabilisée à l'yttrium, est une céramique réfractaire constituée de dioxyde de zirconium ZrO₂, ou zircone, dont la structure cristalline est stabilisée sous sa forme cubique ou tétragonale à température ambiante par de l'oxyde d'yttrium(III) Y₂O₃. Le dioxyde de zirconium pur passe en effet par une série de transitions de phase en se refroidissant : il se solidifie en une phase cubique à 2 680 °C et devient tétragonal à environ 2 370 °C puis monoclinique à 1 173 °C jusqu'à la température ambiante[1]. Ceci complique sa mise en forme par frittage en raison du changement de volume d'environ 5 % qui accompagne la transition de phase de tétragonale à monoclinique, à l'occasion de laquelle se forment de fortes contraintes de cisaillement qui fragilisent les joints de grains[2] et sont susceptibles de générer des fissures à travers le matériau[3].

(en) Structure cristalline de la zircone ZrO₂ stabilisée à l'oxyde d'yttrium(III) Y₂O₃ indiquant les lacunes d'oxygène.

C'est la raison pour laquelle il est nécessaire de stabiliser la zircone dans sa structure cristalline cubique ou tétragonale jusqu'à la température ambiante, ce qu'on réalise en introduisant des cations un peu plus gros que ceux de zirconium Zr⁴⁺, dont le rayon ionique cristallin de 86 pm est légèrement trop petit pour maintenir la structure cubique à faces centrées de type fluorine à température ambiante. On introduit ainsi une fraction molaire d'un oxyde métallique ayant des cations un peu plus gros et de valence inférieure — par exemple 86 pm pour Mg²⁺, 114 pm pour Ca²⁺ et 104 pm pour Y³⁺[4] — pour stabiliser à température ambiante les propriétés macroscopiques telles que la résistance mécanique et la translucidité de la zircone cubique. On obtient cet effet jusqu'à 1 000 °C avec typiquement 16 % molaires d'oxyde de calcium CaO ou d'oxyde de magnésium MgO, ou 8 à 8,5 % molaires d'oxyde d'yttrium Y₂O₃ dans ce qu'on appelle le 8YSZ ; des études ont cependant montré que ce taux d'oxyde d'yttrium n'est en réalité pas suffisant pour stabiliser complètement la zircone à haute température et qu'une fraction molaire de 9 à 9,5 % est nécessaire pour assurer une stabilisation jusqu'à 1 000 °C[5].

Outre la stabilisation de la phase cubique ou tétragonale de la zircone, le dopage à l'oxyde d'yttrium a pour effet d'introduire des lacunes d'oxygène dans le cristal dans la mesure où certains cations Zr⁴⁺ tétravalents sont remplacés par des cations Y³⁺ trivalents, de sorte qu'une lacune d'anion O^2– est introduite pour deux cations Y³⁺. Il s'ensuit que la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium présente à la fois une faible conductivité électrique, un peu supérieure à 1 S/m[5]^,[6], et une bonne perméabilité à l'oxygène, ce qui en fait un matériau intéressant comme conducteur superionique pour pile à combustible à oxyde solide, ou SOFC[7].