دی اکسید زیرکونیوم، همچنین به عنوان شناخته شده است زیرکونیا و اکسید زیرکونیوم، یک اکسید فلزی کریستالی است که به صنعت سرامیک راه پیدا کرده است. مقاومت حرارتی بالا، مقاومت مکانیکی و خواص سایشی آن مشخص می شود.
زیرکونیا برای اولین بار در صنعت پزشکی در سال 1969 مورد استفاده قرار گرفت، زیست سازگاری استثنایی با خواص تریبولوژیکی خوب، زیبایی شناختی خوب و خواص مکانیکی بالا نشان داد. به طور عمده در روش های دندانپزشکی، مانند روکش های زیرکونیا و اباتمنت های ایمپلنت مبتنی بر زیرکونیا استفاده می شود. [1].
یکی از محبوب ترین شکل های آن زیرکونیای مکعبی است، یک ترکیب کریستالی مکعبی که بی رنگ و از نظر مکانیکی سخت است. به دلیل خاصیت نوری بی عیب و نقص آن، به عنوان یک جایگزین کم هزینه برای الماس در صنعت جواهرات عمل می کند.
دی اکسید زیرکونیوم را نباید با آن اشتباه گرفت زیرکون (یا سیلیکات زیرکونیوم)، یک ماده معدنی است که در صنعت سرامیک و مواد نسوز نیز استفاده می شود.
در اینجا، با این موارد آشنا خواهید شد:
- زیرکونیا چیست
- خواص زیرکونیا
- نحوه تولید و فرآوری زیرکونیا
- مناطق کاربردی مختلف که زیرکونیا در آنها برتری دارد
فرآیند سوراخ کردن دندان
زیرکونیا چیست؟
زیرکونیا یک جامد کریستالی است که به رنگ سفید است، اما می تواند در رنگ های مختلف تولید شود تا به عنوان سنگ جواهر جایگزین برای الماس یا تاج دندان سرامیکی در کاربردهای پزشکی استفاده شود. به طور طبیعی، این ماده معدنی نیمه شفاف (گاهی اوقات شفاف) است بددلییتیک کانی نادر که دارای ساختار بلوری منشوری تک کلینیک است. یعنی یک کانی که بردارهای نابرابر دارد. همچنین به عنوان شناخته شده است “فولاد سرامیک”این اکسید زیرکونیوم از نظر شیمیایی بی اثر است و به دلیل خواص مکانیکی عالی یکی از مواد ترمیمی بسیار خوشایند به شمار می رود.
در بین تمام مواد سرامیکی پیشرفته، زیرکونیا دارای بالاترین چقرمگی و استحکام در دمای اتاق است. در دماهای بالا، زیرکونیا ممکن است تغییرات قابل توجهی در حجم در طول تبدیل فاز داشته باشد. در نتیجه بدست آوردن محصولات زیرکونیایی پایدار در حین تف جوشی دشوار است، به همین دلیل است که تثبیت زیرکونیا به طور کلی مورد نیاز است. زیرکونیای نیمه تثبیت شده (PSZ) به خواص مکانیکی استثنایی و بی اثری شیمیایی سطح بالایی از پایداری شیمیایی حتی در محیط های سخت اضافه می کند. این ماده به دلیل خواص مکانیکی برتر به عنوان جایگزینی برای آلومینا در کاربردهای زیست پزشکی مانند ایمپلنت های دندانی استفاده می شود و از نظر استحکام مکانیکی با دندان قابل مقایسه است. [2]. سایر مواد نسبی به PSZ عبارتند از زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا (YSZ)، زیرکونیای تثبیت شده با کلسیا (CSZ)، و زیرکونیای تثبیت شده با منیزیم (MSZ).
خواص زیرکونیا
استحکام استثنایی زیرکونیا، چقرمگی، زیست سازگاری، خستگی بالا و مقاومت در برابر سایش آن را برای کاربردهای دندانی بهینه می کند. به طور خاص، زیرکونیوم (Zr)، در واقع یکی از دو فلز رایج مورد استفاده در ایمپلنت‌های دندانی در کنار تیتانیوم است، زیرا هر دو خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهند و امکان رشد استئوبلاست‌ها، سلول‌هایی که در واقع استخوان‌ها را تشکیل می‌دهند. [3]. در اینجا لیستی از برجسته ترین خواص فیزیکی و شیمیایی زیرکونیا آمده است. توجه داشته باشید که چگونه این خواص به اندازه کافی بالا هستند که به زیرکونیا اجازه می دهد تا یک ماده موثر برای بسیاری از کاربردها، به ویژه برای اهداف نسوز و دندانپزشکی باشد.
مقاومت مکانیکی بالا
دی اکسید زیرکونیوم در برابر ترک خوردگی (از جمله توسعه بیشتر ترک ها) و تنش های مکانیکی بسیار مقاوم است. سایر خواص مکانیکی برجسته زیرکونیا در جدول زیر نشان داده شده است.
مقاومت در برابر دمای بالا و انبساط
با نقطه ذوب 2700 درجه سانتیگراد و ضریب انبساط حرارتی 1.08×10-5 ک-1، دی اکسید زیرکونیوم به دلیل مقاومت بالا در برابر گرما شناخته شده است. به همین دلیل است که این ترکیب کاربردهای متنوعی در صنایع نسوز و دماهای بالا پیدا کرده است. در اینجا محدوده دمایی مختلف نقطه ذوب زیرکونیا بر اساس اشکال وابسته به دما آورده شده است.
| شکل وابسته به دما زیرکونیا | نقطه ذوب |
| مونوکلینیک، بددلایت | 20 – 1170 درجه سانتیگراد |
| چهارضلعی | 1170 – 2370 درجه سانتیگراد |
| مکعبی | 2370 – 2700 درجه سانتیگراد |
با این حال، پس از گرم شدن، زیرکونیا ممکن است دچار تغییر فاز شود، به ویژه در شکل چهارضلعی خود، جایی که تنش های داخلی ایجاد می شود و ترک ها شروع به ایجاد می کنند. به منظور رفع و تصحیح این ضعف، تثبیت کننده هایی مانند ایتریا اضافه می شوند تا زیرکونیای پایدارتر ایتریا را ایجاد کنند که تا حدی تثبیت شده است.یا پلی کریستال ایتریا تتراگونال زیرکونیا، YTZP) [4].
هدایت حرارتی کم
دی اکسید زیرکونیوم دارای رسانایی حرارتی 2 W/(m·K) است که آن را برای موقعیت هایی که نیاز به مهار گرما دارد، عالی می کند.
مقاومت شیمیایی
این ماده از نظر شیمیایی بی اثر و غیر واکنشی است که در صنایعی که از چندین ماده شیمیایی در طول فرآوری استفاده می کنند، کار می کند. با این حال، این ترکیب در اسیدهای غلیظ مانند اسید سولفوریک یا هیدروفلوئوریک حل می شود.
تولید و فرآوری زیرکونیا
تولید دی اکسید زیرکونیوم ممکن است بسته به دما منجر به سه فاز احتمالی فوق شود: مونوکلینیک، تتراگونال و مکعب. این ویژگی منحصر به فرد زیرکونیوم دی اکسید انعطاف پذیری استفاده را در طیف گسترده ای از اهداف و صنایع فراهم می کند.
زیرکونیا از طریق تولید می شود عملیات حرارتی، یا تفکیک حرارتی، اگرچه انجام آن به شکل خالص ممکن است باعث تغییرات فاز ناگهانی شود که ممکن است باعث ترک خوردن یا شکستن مواد شود. این زمانی است که دوپینگ با تثبیت کننده هایی مانند اکسید منیزیم، اکسید ایتریم و اکسید کلسیم برای دست نخورده نگه داشتن ساختار اعمال می شود. به این فرآیند حرارتی نیز گفته می شود کلسینه کردن، جایی که حرارت دادن به دمای بالا در یک محیط اکسیژن یا هوا انجام می شود.
زیرکونیا نیز می تواند توسط تجزیه شن و ماسه زیرکون از طریق همجوشی با ترکیباتی مانند کربنات کلسیم، اکسید کلسیم، کربنات سدیم، اکسید منیزیم و هیدروکسید سدیم (همچنین به عنوان سود سوزآور).
کلرزنی از زیرکون همچنین منجر به تولید زیرکونیا می شود، جایی که تتراکلرید زیرکونیوم حاصل در دمای بالا (~900 درجه سانتیگراد) کلسینه می شود و درجه تجاری زیرکونیا تولید می شود. راه دیگر حل کردن تتراکلرید زیرکونیوم جمع آوری شده در آب برای تشکیل زیرکونیل کلرید متبلور است. سپس این ماده در دمای بالا برای تولید زیرکونیا با خلوص بالا تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد [5].
دی اکسید زیرکونیوم با خلوص بالا پیش ماده ای برای تولید پودر زیرکونیوم است. کاهش ZrO2 با هیدرات کلسیم این فرآیند کلسیوترمیک تحت اتمسفر آرگون در حرارت مداوم در حدود 1000 درجه سانتیگراد تهیه می شود.
کاربردهای دی اکسید زیرکونیوم
خواص مکانیکی بالای زیرکونیا، بی اثری شیمیایی، پایداری در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و کیفیت بالا باعث شده است. فولاد سرامیکی در رادار در بسیاری از صنایع و زمینه های کاربردی. بسیاری از محصولات امروزی از نسوز گرفته تا محصولات پزشکی، رنگدانه‌ها، الکترونیک، پوشش‌ها و سرامیک‌ها به دلیل ویژگی‌ها و مزایای برتر در مقایسه با سایر مواد، بر پایه زیرکونیا ساخته شده‌اند. برخی از کاربردهای معمولی زیرکونیا عبارتند از قالب برای اکستروژن فلز داغ، حسگرهای اکسیژن، غشاهای موجود در پیل‌های سوختی، صندلی‌های دریچه چاه عمیق و آب‌بند پمپ‌های دریایی. در اینجا فهرستی از برخی از رایج ترین زمینه ها و کاربردهای زیرکونیا آورده شده است.
سرامیک
استحکام مکانیکی و مقاومت دی اکسید زیرکونیوم آن را به یک جزء مناسب برای تولید سرامیک تبدیل می کند. این شامل چاقوهای سرامیکی است که به دلیل ضریب سختی بالای زیرکونیا به طور قابل توجهی از کارد و چنگال لبه‌های فولادی سخت‌تر هستند.
اهداف نسوز
به دلیل مقاومت حرارتی بالا، دی اکسید زیرکونیوم به عنوان یک جزء در بوته ها، کوره ها و سایر محیط های با حرارت بالا استفاده می شود. علاوه بر این، دی اکسید زیرکونیوم خاصیت ضد حریق سرامیک ها را افزایش می دهد. آجرهای نسوز و صفحات زره نمونه هایی از کاربردهای نسوز مبتنی بر زیرکونیا هستند. علاوه بر این، هنگامی که به کوارتز ذوب شده اضافه می شود، می توان از زیرکونیا برای تولید استفاده کرد شیشه سیلوکسید، شیشه ای سخت تر و مقاوم تر از شیشه مات کوارتز است [6]. زیرکونیا همچنین می تواند به اکسید آلومینیوم اضافه شود تا در اجزای فرآیند ریخته گری فولاد استفاده شود.
پوشش سد حرارتی (TBC)
دی اکسید زیرکونیوم به عنوان پوششی برای اجزای موتور جت که در معرض دماهای بالا هستند استفاده می شود. این امر از طریق رسانایی حرارتی کم و مقاومت حرارتی بالا این ترکیب ممکن می شود. مطالعات اثربخشی دی اکسید زیرکونیوم را برای کاربردهای TBC تایید کرده اند، تا زمانی که این ماده به درستی و یکنواخت اعمال شود.
صنعت دندانپزشکی
به دلیل زیست سازگاری، زیبایی شناسی خوب و خواص مکانیکی بالا، یکی از محبوب ترین موارد استفاده از دی اکسید زیرکونیوم در دندانپزشکی، عمدتاً در ترمیم دندان برای بریج ها، روکش ها و روکش های چینی فلدسپات و پروتزهای دندانی است. دی اکسید زیرکونیوم تثبیت شده با ایتریا نیز در تولید تاج های زیرکونیایی تقریباً دائمی مؤثر است.
مواد ضد خش و ساینده
زیرکونیا با پایداری مکانیکی و مقاومت سایشی بالا به عنوان یک ماده ساینده استفاده می شود. همچنین به دلیل مقاومت ترکیب در برابر خراش و تنش های مکانیکی به عنوان لایه محافظ برای قطعات مکانیکی مفید است.
سیستم های غنی از اکسیژن
در حالی که سایر مواد ممکن است اکسید شوند و یکپارچگی آن را به خطر بیندازند، دی اکسید زیرکونیوم در حضور اکسیژن پایدار است. در واقع، در غشاهای سلول سوختی و مکانیسم های سنجش اکسیژن حتی در دماهای بالا استفاده می شود.
صنعت جواهرسازی
به طور خاص، زیرکونیا مکعبی به عنوان یک جایگزین مناسب برای الماس (که بسیار گران است) تکامل یافته است. جدای از دوام و شباهت زیبایی شناختی قوی به الماس، زیرکونیای مکعبی بر خلاف الماس برش هایی ایجاد می کند و دارای یک عیب نوری است که با چشم غیر مسلح کاملاً بی رنگ به نظر می رسد. معمولاً از آن به عنوان a یاد می شود تقلید الماس به جای الف الماس مصنوعیاز آنجایی که از نظر ظاهری شبیه الماس طبیعی است اما خواص شیمیایی مشابهی ندارد. نمونه هایی از جواهرات مبتنی بر زیرکونیا شامل حلقه های زیرکونیایی مکعبی و گوشواره های زیرکونیایی مکعبی است.
یک چاقوی سرامیکی.