زیرکونیا (اکسید زیرکونیوم) چیست؟

زیرکونیا (اکسید زیرکونیوم)

اکسید زیرکونیوم یا زیرکونیا (ZrO2) از سرامیک های بسیار مهم صنعتی به شمار می رود. این ماده مهندسی به دلیل ویژگی های جذاب اپتیکی، کاتالیستی، حسگری، مکانیکی و شیمیایی که دارد، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. برای آشنایی بیشتر با اکسید زیرکونیوم و کاربردهای آن، با ما همراه باشید.

چرا اکسید زیرکونیوم؟!

امروزه از اکسید زیرکونیوم با نام «اکسید همه چیز تمام» یاد می شود! مطمئنا این لقب بی دلیل انتخاب نشده است. خواص شگفت انگیزی که این ماده دارد، یکی یا دو تا نیستند. بازار جهانی ZrO2 در سال 2019 برابر با 5/11 میلیارد دلار بوده است و انتظار می رود تا سال 2027 به 7٫68 میلیارد دلار برسد! وقتی از ویژگی های نانو پودر اکسید زیرکونیوم با خبر شویم، این ارقام و اخبار کمتر ما را متعجب می کنند.

مروری بر خواص زیرکونیا

اکسید زیرکونیوم با فرمول شیمیایی شیمیایی ZrO2 یک ماده بلوری سفیدرنگ است. زیرکونیا مهم ترین و پایدارترین اکسید عنصر زیرکونیوم است که در دسته سرامیک ها قرار می گیرد. حتما مخاطبینی که در حوزه جوشکاری تخصص دارند، از کاربردهای آن با خبر هستند. از آنجا که ضریب انبساط حرارتی این ماده نزدیک به فولاد است، از آن هم برای جوشکاری سرامیک و هم فولاد استفاده می شود.

این ماده معمولا به شکل اکسید خالص در طبیعت وجود ندارد. بلکه در کانی های بادلایت (baddelyite) و زیرکون (zircon) یافت می گردد. معادن زیرکون گستردگی زیادی دارند؛ اما این کانی خلوص کمتری دارد. بنابراین استفاده از آن نیاز به فرایندهای آماده سازی بیشتری در مقایسه با بادلایت دارد. از این رو منبع اصلی زیرکونیا سنگ معدنی بادلایت است.

سنتز زیرکونیا از بادلایت

برای تولید اکسید زیرکونیوم از بادلایت ابتدا عملیات جدا سازی مکانیکی انجام می گیرد. پس از جداسازی مکانیکی، ZrO2 با خلوص 96% حاصل می شود. حال نوبت به جداسازی مغناطیسی می رسد که خلوص 99% را به دنبال دارد. در ادامه نیز با انجام یک سری عملیات شیمیایی خلوص این ماده سرامیکی را بالاتر می برند.

ساختارهای کریستالی ZrO

با انجام آنالیز تفرق اشعه X روی اکسید زیرکونیوم، این ماده در سه پلی مورف کریستالی مونوکلینیک، تتراگونال و مکعبی دیده شده است. هر کدام از این ساختارهای کریستالی در یک محدودهٔ دمایی متفاوت پایدار هستند. لازم به ذکر است این محدوده های دمایی توسط روش های تجربی مانند دیلاتومتری، میکروسکوپ های الکترونی و آنالیز DTA به دست آمده اند.

اکسید زیرکونیوم مونوکلینیک

ساختار کریستالی مونوکلینیک از نظر ترمودینامیکی از دمای اتاق تا حدود 1170 درجه سلسیوس پایدار است. از این ساختار اغلب تحت عنوان مینرال بادلیت نیز یاد می شود. «یاردلی» اولین کسی بود که در سال 1926 وجود چهار مولکول اکسید زیرکونیوم را در در این سلول واحد پیش بینی کرد.

اکسید زیرکونیوم تتراگونال

پلی مورف تتراگونال ZrO2 برای اولین بار توسط «روف و ابرت» در سال 1929 در اثر تبدیل از فاز مونوکلینیک در رنج دمایی 1100 تا 1200 مشاهده شد و بعد ها گستره دمایی دقیق تر آن گزارش شد. یون Zr+4 در فرم تتراگونال اکسید زیرکونیوم، به کئوردیناسیون هشت تایی متمایل است.

اکسید زیرکونیوم مکعبی

فاز مکعبی اکسید در دماهای بسیار بالا پایدار است. این فاز ساختمانی معادل با ساختمان CaF2 با وجوه پر دارد. در این ساختار یون های Zr+4 به همراه یون های اکسیژن در دو تتراهدرال یکسان مرتب شده اند. پارامتر شبکه در این حالت حدودا 0٫508 نانومتر است. برای اولین بار «اسمیت وکولون» در سال 1962 تحول زیرکونیای تتراگونال به مکعبی را با استفاده از XRD دما بالا تشخیص داد.