stringtranslate.com

Диоксид циркония

Диоксид циркония ( ZrO
2
), иногда известный как цирконий (не путать с цирконом ), представляет собой белый кристаллический оксид циркония . Его наиболее встречающаяся в природе форма с моноклинной кристаллической структуройминерал бадделеит . Стабилизированный легирующей примесью диоксид циркония кубической структуры, кубический цирконий , синтезируется в различных цветах для использования в качестве драгоценного камня и имитатора алмаза . [1]

Производство, химические свойства, возникновение

Цирконий получают путем прокаливания соединений циркония с использованием его высокой термостабильности . [2]

Состав

Известны три фазы: моноклинная при температуре ниже 1170 °С, тетрагональная при температуре от 1170 до 2370 °С и кубическая при температуре выше 2370 °С. [3] Тенденция заключается в повышении симметрии при более высоких температурах, как это обычно бывает. Небольшой процент оксидов кальция или иттрия стабилизируется в кубической фазе. [2] Очень редкий минерал тажеранит (Zr,Ti,Ca)O 2 имеет кубическую форму . В отличие от TiO 2 , который во всех фазах содержит шестикоординированный титан, моноклинный диоксид циркония состоит из семикоординированных циркониевых центров. Это различие объясняется большим размером атома циркония по сравнению с атомом титана. [4]

Химические реакции

Цирконий химически инертен. Медленно подвергается воздействию концентрированной плавиковой кислоты и серной кислоты . При нагревании с углеродом он превращается в карбид циркония . При нагревании с углеродом в присутствии хлора он превращается в хлорид циркония(IV) . Это преобразование является основой очистки металлического циркония и аналогично процессу Кролла .

Инженерные свойства

Шарики подшипника

Диоксид циркония — один из наиболее изученных керамических материалов. ZrO 2 принимает моноклинную кристаллическую структуру при комнатной температуре и переходит в тетрагональную и кубическую при более высоких температурах. Изменение объема, вызванное переходом структуры от тетрагональной к моноклинной и кубической, вызывает большие напряжения, вызывающие растрескивание при охлаждении от высоких температур. [5] Когда диоксид циркония смешивается с некоторыми другими оксидами, тетрагональная и/или кубическая фазы стабилизируются. Эффективные легирующие добавки включают оксид магния (MgO), оксид иттрия ( Y 2 O 3 , иттрий), оксид кальция ( CaO ) и оксид церия (III) ( Ce 2 O 3 ). [6]

Цирконий часто более полезен в его фазовом «стабилизированном» состоянии. При нагревании диоксид циркония претерпевает разрушительные фазовые изменения. Добавляя небольшое количество иттрия, эти фазовые изменения устраняются, и полученный материал имеет превосходные термические, механические и электрические свойства. В некоторых случаях тетрагональная фаза может быть метастабильной . Если присутствует достаточное количество метастабильной тетрагональной фазы, то приложенное напряжение, увеличенное концентрацией напряжений на вершине трещины, может привести к превращению тетрагональной фазы в моноклинную с соответствующим объемным расширением. Это фазовое превращение может затем привести к сжатию трещины, замедляя ее рост и повышая вязкость разрушения . Этот механизм, известный как трансформационное упрочнение , значительно увеличивает надежность и срок службы изделий, изготовленных из стабилизированного диоксида циркония. [6] [7]

Ширина запрещенной зоны ZrO 2 зависит от фазы (кубическая, тетрагональная, моноклинная или аморфная) и методов получения, ее типичные оценки составляют 5–7 эВ. [8]

Особым случаем диоксида циркония является тетрагональный поликристалл диоксида циркония , или TZP, который указывает на поликристаллический диоксид циркония, состоящий только из метастабильной тетрагональной фазы.

Использование

Основное применение диоксида циркония — в производстве твердой керамики, например, в стоматологии, [9] и в других целях, в том числе в качестве защитного покрытия на частицах пигментов диоксида титана , [2] в качестве огнеупорного материала, в изоляции , абразивах и т. д. эмали .

Стабилизированный диоксид циркония используется в датчиках кислорода и мембранах топливных элементов , поскольку он обладает способностью позволять ионам кислорода свободно перемещаться через кристаллическую структуру при высоких температурах. Высокая ионная проводимость (и низкая электронная проводимость) делает ее одной из самых полезных электрокерамик . [2] Диоксид циркония также используется в качестве твердого электролита в электрохромных устройствах .

Цирконий является предшественником электрокерамического цирконата-титаната свинца ( PZT ), который представляет собой диэлектрик с высоким κ, который встречается во множестве компонентов.

Нишевое использование

Очень низкая теплопроводность кубической фазы диоксида циркония также привела к ее использованию в качестве термобарьерного покрытия (ТБП) в реактивных и дизельных двигателях , позволяющего работать при более высоких температурах. [10] С термодинамической точки зрения, чем выше рабочая температура двигателя, тем выше возможный КПД . Другое применение с низкой теплопроводностью — изоляция из керамического волокна для печей для выращивания кристаллов, батарей топливных элементов и систем инфракрасного отопления.

Этот материал также используется в стоматологии при изготовлении каркасов для изготовления зубных реставраций , таких как коронки и мосты , которые затем по эстетическим соображениям облицовываются обычным полевошпатовым фарфором , или прочных, чрезвычайно долговечных зубных протезов, полностью изготовленных из монолитного диоксида циркония. , с ограниченной, но постоянно улучшающейся эстетикой. [11] [12] Цирконий, стабилизированный иттрием (оксидом иттрия), известный как стабилизированный иттрием диоксид циркония , может использоваться в качестве прочного базового материала в некоторых цельнокерамических реставрациях коронок. [12] [13]

Трансформационно-упрочненный диоксид циркония используется для изготовления керамических ножей . Благодаря своей твердости столовые приборы с керамической кромкой остаются острыми дольше, чем изделия со стальной кромкой. [14]

Из-за своей тугоплавкости и яркого свечения при лампе накаливания его использовали в качестве ингредиента палочек для освещения . [ нужна цитата ]

Было предложено использовать цирконий для электролиза монооксида углерода и кислорода из атмосферы Марса , чтобы получить как топливо, так и окислитель, который можно было бы использовать в качестве хранилища химической энергии для использования при наземном транспорте на Марсе. Двигатели на основе угарного газа/кислорода были предложены для раннего использования наземного транспорта, поскольку и угарный газ, и кислород могут быть напрямую получены электролизом диоксида циркония, не требуя использования каких-либо марсианских водных ресурсов для получения водорода, который понадобится для производства метана. или любое топливо на основе водорода. [15]

Цирконий можно использовать в качестве фотокатализатора [16] , поскольку его большая запрещенная зона (~ 5 эВ) [17] позволяет генерировать высокоэнергетические электроны и дырки. Некоторые исследования продемонстрировали активность легированного диоксида циркония (с целью увеличения поглощения видимого света) в разложении органических соединений [18] [19] и восстановлении Cr(VI) из сточных вод. [20]

Цирконий также является потенциальным диэлектрическим материалом с высоким κ , который потенциально может применяться в качестве изолятора в транзисторах .

Цирконий также используется при нанесении оптических покрытий ; это материал с высоким индексом, который можно использовать в диапазоне от ближнего УФ до среднего ИК диапазона из-за его низкого поглощения в этой спектральной области. В таких случаях он обычно наносится методом PVD . [21]

В ювелирном деле корпуса некоторых часов рекламируются как «черный оксид циркония». [22] В 2015 году компания Omega выпустила часы, полностью изготовленные из ZrO 2 , под названием «Тёмная сторона Луны» [23] с керамическим корпусом, безелем, кнопками и застежкой, рекламируя их как четыре раза прочнее нержавеющей стали и, следовательно, гораздо более устойчивых к механическим воздействиям. царапины при повседневном использовании.

При газовой вольфрамовой дуговой сварке вольфрамовые электроды, содержащие 1% оксида циркония (он же диоксид циркония ) вместо 2% тория, имеют хорошее зажигание дуги и токовую мощность, а также не радиоактивны. [24]

Имитатор алмаза

Кубический цирконий блестящей огранки

Монокристаллы кубической фазы циркония широко используются в качестве имитатора алмаза в ювелирных изделиях . Как и алмаз, кубический цирконий имеет кубическую кристаллическую структуру и высокий показатель преломления . Визуально отличить драгоценный камень фианита хорошего качества от бриллианта сложно, и у большинства ювелиров есть тестер теплопроводности, позволяющий идентифицировать фианит по его низкой теплопроводности (алмаз является очень хорошим проводником тепла). Ювелиры обычно называют это состояние циркония кубическим цирконием , CZ или цирконом , но последнее название химически неточно. Циркон на самом деле является минеральным названием природного силиката циркония (IV) ( ZrSiO 4 ).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ван, Сан-Франциско; Чжан, Дж.; Луо, Д.В.; Гу, Ф.; Тан, ДЮ; Донг, ЗЛ; Тан, ГЭБ; Que, WX; Чжан, ТС; Ли, С.; Конг, LB (01 мая 2013 г.). «Прозрачная керамика: обработка, материалы и применение». Прогресс в химии твердого тела . 41 (1): 20–54. doi :10.1016/j.progsolidstchem.2012.12.002. ISSN  0079-6786.
  2. ^ abcd Ральф Нильсен «Цирконий и соединения циркония» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2005, Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.a28_543
  3. ^ Р. Стивенс, 1986. Введение в цирконий. Магний Электрон Публикация № 113
  4. ^ Гринвуд, Нью-Йорк; и Эрншоу, А. (1997). Химия элементов (2-е изд.), Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-3365-4 
  5. ^ Платт, П.; Франкель, П.; Гасс, М.; Хауэллс, Р.; Пройсс, М. (ноябрь 2014 г.). «Конечно-элементный анализ фазового превращения от тетрагональной к моноклинной при окислении циркониевых сплавов». Журнал ядерных материалов . 454 (1–3): 290–297. Бибкод : 2014JNuM..454..290P. дои : 10.1016/j.jnucmat.2014.08.020 .
  6. ^ АБ Эванс, AG; Кэннон, РМ (1986). «Упрочнение хрупких тел мартенситными превращениями». Акта Металл . 34 : 761. дои : 10.1016/0001-6160(86)90052-0.
  7. ^ Портер, DL; Эванс, АГ; Хойер, А.Х. (1979). «Ужесточение трансформации в ПСЗ». Акта Металл . 27 : 1649. дои : 10.1016/0001-6160(79)90046-4.
  8. ^ Чанг, Джейн П.; Ю-Шэн Линь; Карен Чу (2001). «Быстрое термохимическое осаждение из паровой фазы оксида циркония для применения полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник». Журнал вакуумной науки и техники Б. 19 (5): 1782–1787. Бибкод : 2001JVSTB..19.1782C. дои : 10.1116/1.1396639.
  9. ^ Гамбоги, Джозеф. «Статистика и информация по цирконию и гафнию». Национальный информационный центр по минералам Геологической службы США . Архивировано из оригинала 18 февраля 2018 года . Проверено 5 мая 2018 г.
  10. ^ «Теплобарьерные покрытия для более эффективных газотурбинных двигателей». Studylib.net . Проверено 6 августа 2018 г.
  11. ^ Папаспиридакос, Панос; Кунал Лал (2008). «Полная реабилитация имплантатов дуги с использованием субтрактивного быстрого прототипирования и протеза из фарфора и диоксида циркония: клинический отчет». Журнал ортопедической стоматологии . 100 (3): 165–172. дои : 10.1016/S0022-3913(08)00110-8 . ПМИД  18762028.
  12. ^ аб Кастил, Ярослав; Хлуп, Зденек; Стастный, Пржемысл; Трунец, Мартин (17 августа 2020 г.). «Обрабатываемость и свойства циркониевой керамики, полученной методом гель-литья». Достижения прикладной керамики . 119 (5–6): 252–260. Бибкод : 2020AdApC.119..252K. дои : 10.1080/17436753.2019.1675402. hdl : 11012/181089 . ISSN  1743-6753. S2CID  210795876.
  13. ^ Шен, Джеймс, изд. (2013). Передовая керамика для стоматологии (1-е изд.). Амстердам: Эльзевир/БХ. п. 271. ИСБН 978-0123946195.
  14. ^ «Керамические кухонные ножи и инструменты с зубчатым лезвием диаметром 12 см» . Керамические кухонные ножи и инструменты | Kyocera Азиатско-Тихоокеанский регион . Проверено 4 августа 2021 г.
  15. ^ Лэндис, Джеффри А.; Линн, Дайан Л. (2001). «Марсианская ракета, использующая топливо на месте». Журнал космических кораблей и ракет . 38 (5): 730–35. Бибкод : 2001JSpRo..38..730L. дои : 10.2514/2.3739.
  16. ^ Коно, Ёсиуми; Танака, Цунэхиро; Фунабики, Такудзо; Ёсида, Сатохиро (1998). «Идентификация и реакционная способность поверхностного промежуточного продукта фотовосстановления CO2 H2 над ZrO2». Журнал Химического общества, Faraday Transactions . 94 (13): 1875–1880. дои : 10.1039/a801055b.
  17. ^ Джионко, Кьяра; Паганини, Мария К.; Джамелло, Элио; Берджесс, Робертсон; Ди Валентин, Кристиана; Паччиони, Джанфранко (15 января 2014 г.). «Диоксид циркония, легированный церием, светочувствительный фотоактивный материал третьего поколения». Журнал физической химии . 5 (3): 447–451. дои : 10.1021/jz402731s. hdl : 2318/141649 . ПМИД  26276590.
  18. ^ Юань, Цюань; Лю, Ян; Ли, Ле-Ле; Ли, Чжэнь-Син; Фанг, Чен-Цзе; Дуань, Вэнь-Тао; Ли, Син-Го; Ян, Чун-Хуа (август 2009 г.). «Высокоупорядоченный мезопористый фотокатализатор диоксида титана и циркония для применения в разложении родамина-B и выделении водорода». Микропористые и мезопористые материалы . 124 (1–3): 169–178. doi :10.1016/j.micromeso.2009.05.006.
  19. ^ Бортот Коэльо, Фабрисио; Джионко, Кьяра; Паганини, Мария; Кальца, Паола; Маньякка, Джулиана (3 апреля 2019 г.). «Контроль мембранного загрязнения при фильтрации органических веществ с использованием циркония, легированного церием, и видимого света». Наноматериалы . 9 (4): 534. дои : 10.3390/nano9040534 . ПМК 6523972 . ПМИД  30987140. 
  20. ^ Бортот Коэльо, Фабрисио Эдуардо; Канделарио, Виктор М.; Араужо, Эстеван Маньо Родригес; Миранда, Таня Люсия Сантос; Маньякка, Джулиана (18 апреля 2020 г.). «Фотокаталитическое восстановление Cr(VI) в присутствии гуминовой кислоты с использованием иммобилизованного Ce–ZrO2 в видимом свете». Наноматериалы . 10 (4): 779. дои : 10.3390/nano10040779 . ISSN  2079-4991. ПМЦ 7221772 . ПМИД  32325680. 
  21. ^ «Оксид циркония Zr02 для оптического покрытия» . Материон . Архивировано из оригинала 20 октября 2013 года . Проверено 30 апреля 2013 г.
  22. ^ "Коаксиальный хронограф Omega, 44,25 мм" . Часы ОМЕГА . Архивировано из оригинала 26 марта 2016 г. Проверено 27 марта 2016 г.
  23. ^ "Speedmaster Moonwatch Темная сторона Луны | ОМЕГА" . Омега . Архивировано из оригинала 9 февраля 2018 г. Проверено 8 февраля 2018 г.
  24. ^ «Выбор вольфрама» (PDF) . Arc-Zone.com . Карлсбад, Калифорния . 2009 . Проверено 15 июня 2015 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки