Диоксид циркония ( ZrO
2), Иногда известны как диоксид циркония (не следует путать с цирконом ), представляет собой белый кристаллический оксид из циркония . Его наиболее естественная форма с моноклинной кристаллической структурой - это минерал бадделеит . Стабилизированный легирующими добавками кубический структурированный диоксид циркония, кубический диоксид циркония , синтезируется в различных цветах для использования в качестве драгоценного камня и имитатора алмаза . [1]
Имена | |
---|---|
Имена ИЮПАК Диоксид циркония Оксид циркония (IV) | |
Другие названия Цирконий бадделеит | |
Идентификаторы | |
| |
3D модель ( JSmol ) | |
ECHA InfoCard | 100.013.844 |
Номер ЕС |
|
PubChem CID | |
UNII | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| |
| |
Характеристики | |
ZrO 2 | |
Молярная масса | 123,218 г / моль |
Появление | белый порошок |
Плотность | 5,68 г / см 3 |
Температура плавления | 2715 ° С (4919 ° F, 2988 К) |
Точка кипения | 4300 ° С (7,770 ° F, 4570 К) |
незначительный | |
Растворимость | растворим в HF и горячем H 2 SO 4 |
Показатель преломления ( n D ) | 2,13 |
Термохимия | |
Стандартная мольная энтропия ( S | 50,3 Дж · К −1 моль −1 |
Std энтальпия формации (Δ F H ⦵ 298 ) | –1080 кДж / моль |
Опасности | |
Паспорт безопасности | Паспорт безопасности |
Пиктограммы GHS | |
Сигнальное слово GHS | Предупреждение |
H315 , H319 , H335 | |
Р261 , Р264 , Р271 , Р280 , Р302 + 352 , Р304 + 340 , P305 + 351 + 338 , P312 , P321 , P332 + 313 , P337 + 313 , P362 , P403 + 233 , Р405 , Р501 | |
точка возгорания | Не воспламеняется |
Смертельная доза или концентрация (LD, LC): | |
LD 50 ( средняя доза ) | > 8,8 г / кг (перорально, крыса) |
Родственные соединения | |
Другие анионы | Дисульфид циркония |
Другие катионы | Диоксид титана Диоксид гафния |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |
проверить ( что есть ?) | |
Ссылки на инфобоксы | |
Производство, химические свойства, возникновение
Диоксид циркония получают путем прокаливания соединений циркония, используя его высокую термическую стабильность . [2]
Состав
Известны три фазы: моноклинная ниже 1170 ° C, тетрагональная между 1170 ° C и 2370 ° C и кубическая выше 2370 ° C. [3] Как обычно, наблюдается тенденция к более высокой симметрии при более высоких температурах. 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 содержит шестикоординированный титан во всех фазах, моноклинный диоксид циркония состоит из семи-координированных центров циркония. Это различие объясняется большим размером атома циркония по сравнению с атомом титана. [4]
Химические реакции
Диоксид циркония химически инертен. Он медленно разрушается концентрированной фтористоводородной кислотой и серной кислотой . При нагревании углеродом превращается в карбид циркония . При нагревании углем в присутствии хлора он превращается в тетрахлорид циркония . Это преобразование является основой для очистки металлического циркония и аналогично процессу Кролла .
Инженерные свойства
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, вызывая ее растрескивание при охлаждении от высоких температур. [5] Когда диоксид циркония смешивают с некоторыми другими оксидами, тетрагональная и / или кубическая фазы стабилизируются. Эффективные легирующие добавки включают оксид магния (MgO), оксид иттрия (Y 2 O 3 , оксид иттрия), оксид кальция (CaO) и оксид церия (III) (Ce 2 O 3 ). [6]
Диоксид циркония часто более полезен в его фазовом «стабилизированном» состоянии. При нагревании диоксид циркония претерпевает разрушительные фазовые изменения. При добавлении небольшого процента оксида иттрия эти фазовые изменения устраняются, и получаемый 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, усиленное концентрацией напряжений в вершине трещины, может вызвать превращение тетрагональной фазы в моноклинную с соответствующим объемным расширением. Это фазовое превращение может привести к сжатию трещины, замедлению ее роста и повышению вязкости разрушения . Этот механизм, известный как упрочнение трансформации, 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, с типичными оценками от 5 до 7 эВ. [8]
Особым случаем диоксида циркония является тетрагональный поликристалл диоксида циркония , или TZP, что указывает на поликристаллический диоксид циркония, состоящий только из метастабильной тетрагональной фазы.
Использует
Основное применение диоксида циркония - производство твердой керамики, например, в стоматологии [9], с другими применениями, в том числе в качестве защитного покрытия на частицах пигментов диоксида титана [2], в качестве огнеупорного материала, в изоляции , абразивных материалах и эмалях. .
Стабилизированный диоксид циркония используется в датчиках кислорода и мембранах топливных элементов, поскольку он позволяет ионам кислорода свободно перемещаться через кристаллическую структуру при высоких температурах. Эта высокая ионная проводимость (и низкая электронная проводимость) делает ее одной из самых полезных электрокерамических материалов . [2] Диоксид циркония также используется в качестве твердого электролита в электрохромных устройствах .
Диоксид циркония является предшественником электрокерамического цирконата титаната свинца ( PZT ), который является диэлектриком с высоким содержанием K, который содержится во множестве компонентов.
Ниша использует
Очень низкая теплопроводность из кубической фазы диоксида циркония , также привела к его использованию в качестве теплового барьерного покрытия , или TBC, в реактивных и дизельных двигателях , чтобы обеспечить работу при более высоких температурах. [10] С термодинамической точки зрения, чем выше рабочая температура двигателя, тем выше возможный КПД . Еще одно применение с низкой теплопроводностью - изоляция из керамического волокна для печей для выращивания кристаллов, изоляция батареи топливных элементов и систем инфракрасного обогрева.
Этот материал также используется в стоматологии при производстве подрамников для изготовления зубных реставраций, таких как коронки и мостовидные протезы , которые затем облицовываются обычным полевым шпатом из эстетических соображений, или для прочных, чрезвычайно долговечных зубных протезов, полностью изготовленных из монолитного диоксида циркония. с ограниченной, но постоянно улучшающейся эстетикой. [11] Диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (оксид иттрия), известный как диоксид циркония , стабилизированный оксидом иттрия , может использоваться в качестве прочного основного материала в некоторых реставрациях с цельнокерамической коронкой. [12]
Преобразовательно-закаленный диоксид циркония используется для изготовления керамических ножей. Из-за своей твердости столовые приборы с керамической кромкой остаются острыми дольше, чем изделия со стальной кромкой. [13]
Из-за его неплавкости и яркого свечения при накаливании он использовался в качестве ингредиента палочек для подсветки . [ необходима цитата ]
Диоксид циркония был предложен для электролиза окиси углерода и кислорода из атмосферы Марса, чтобы обеспечить как топливо, так и окислитель, который можно было бы использовать в качестве хранилища химической энергии для использования при наземном транспорте на Марсе. Двигатели с оксидом углерода / кислородом были предложены для использования на ранних этапах наземного транспорта, поскольку и оксид углерода, и кислород можно было напрямую получить путем электролиза диоксида циркония без необходимости использования каких-либо водных ресурсов Марса для получения водорода, который был бы необходим для производства метана или любое водородное топливо. [14]
Диоксид циркония можно использовать в качестве фотокатализатора [15], поскольку его большая ширина запрещенной зоны (~ 5 эВ) [16] позволяет генерировать высокоэнергетические электроны и дырки. Некоторые исследования продемонстрировали активность легированного диоксида циркония (с целью увеличения поглощения видимого света) в разложении органических соединений [17] [18] и восстановлении Cr (VI) из сточных вод. [19]
Диоксид циркония также является потенциальным диэлектрическим материалом с высоким коэффициентом сопротивления, который может применяться в качестве изолятора в транзисторах .
Диоксид циркония также используется для нанесения оптических покрытий ; это материал с высоким показателем преломления, 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 . [20]
В ювелирном деле некоторые корпуса часов рекламируются как «черный оксид циркония». [21] В 2015 году Omega выпустила полностью ZrO 2 часы под названием «Темная сторона луны» [22] с керамическим корпусом, безелем, кнопками и застежкой, заявив, что они в четыре раза тверже нержавеющей стали и, следовательно, гораздо более устойчивы к царапинам. при повседневном использовании.
Имитатор алмаза
Монокристаллы кубической фазы диоксида циркония обычно используются в качестве имитатора алмаза в ювелирных изделиях . Как и алмаз, кубический цирконий имеет кубическую кристаллическую структуру и высокий показатель преломления . Визуально отличить кубический цирконий хорошего качества от алмаза сложно, и у большинства ювелиров есть тестер теплопроводности, чтобы идентифицировать кубический цирконий по его низкой теплопроводности (алмаз является очень хорошим проводником тепла). Это состояние диоксида циркония обычно называют кубический цирконий , CZ или циркон по ювелирам , но фамилия химически не точна. Циркон - это минеральное название силиката циркония природного происхождения (ZrSiO 4 ).
Смотрите также
- Тушение
- Спекание
- Звезда S-типа , излучающая спектральные линии циркония
- Оксид циркония, стабилизированный иттрием
Рекомендации
- ^ Ван, SF; Zhang, J .; Луо, DW; Gu, F .; Тан, ДЙ; Донг, ZL; Тан, ГЭБ; Que, WX; Чжан, ТС; Li, S .; Конг, LB (2013-05-01). «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 .
- ^ a b c d Ральф Нильсен «Цирконий и соединения циркония» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a28_543
- ^ Р. Стивенс, 1986. Введение в диоксид циркония. Магний Электрон Публикация № 113
- ^ Гринвуд, штат Нью-Йорк; И Эрншоу, А. (1997). Химия элементов (2-е изд.), Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-3365-4
- ^ Platt, P .; Frankel, P .; Gass, M .; Howells, R .; Прейс, М. (ноябрь 2014 г.). «Конечно-элементный анализ превращения тетрагональной фазы в моноклинную при окислении циркониевых сплавов» . Журнал ядерных материалов . 454 (1–3): 290–297. DOI : 10.1016 / j.jnucmat.2014.08.020 .
- ^ а б Evans, AG; Кэннон, RM (1986). «Упрочнение хрупких тел мартенситными превращениями» . Acta Metall . 34 : 761. DOI : 10,1016 / 0001-6160 (86) 90052-0 .
- ^ Портер, DL; Evans, AG; Heuer, AH (1979). «Ужесточение трансформации в ПСЗ». Acta Metall . 27 : 1649. DOI : 10,1016 / 0001-6160 (79) 90046-4 .
- ^ Чанг, Джейн П .; Ю-Шэн Линь; Карен Чу (2001). «Быстрое термическое химическое осаждение из паровой фазы оксида циркония для применения на полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник». Журнал вакуумной науки и техники В . 19 (5): 1782–1787. DOI : 10.1116 / 1.1396639 .
- ^ Гамбоги, Джозеф. «Информация о минералах USGS: цирконий и гафний» . Minerals.usgs.gov . Архивировано 18 февраля 2018 года . Проверено 5 мая 2018 .
- ^ «Термобарьерные покрытия для более эффективных газотурбинных двигателей» . studylib.net . Проверено 6 августа 2018 .
- ^ Папаспиридакос, Панос; Кунал Лал (2008). «Полная реабилитация дугового имплантата с использованием субтрактивного быстрого прототипирования и фарфора, соединенного с протезом из диоксида циркония: клинический отчет». Журнал ортопедической стоматологии . 100 (3): 165–172. DOI : 10.1016 / S0022-3913 (08) 00110-8 . PMID 18762028 .
- ^ Шен, Джеймс, изд. (2013). Современная керамика для стоматологии (1-е изд.). Амстердам: Elsevier / BH. п. 271. ISBN. 978-0123946195.
- ^ «Лучшие керамические ножи, столовые приборы и кухонная утварь - ножи Kyocera» . kyoceraadvancedceramics.com . Архивировано из оригинального 21 декабря 2012 года . Проверено 5 мая 2018 .
- ^ Лэндис, Джеффри А .; Линн, Дайан Л. (2001). "Марсианский ракетный аппарат с использованием ракетного топлива in situ". Журнал космических аппаратов и ракет . 38 (5): 730–35. DOI : 10.2514 / 2.3739 .
- ^ Коно, Йошуми; Танака, Цунехиро; Фунабики, Такудзо; Ёсида, Сатохиро (1998). «Идентификация и реакционная способность поверхностного интермедиата при фотовосстановлении CO2 с H2 над ZrO2». Журнал химического общества, транзакции Фарадея . 94 (13): 1875–1880. DOI : 10.1039 / a801055b .
- ^ Джионко, Кьяра; Паганини, Мария Ч .; Джамелло, Элио; Берджесс, Робертсон; Ди Валентин, Кристиана; Пачиони, Джанфранко (15 января 2014 г.). "Диоксид циркония, легированный церием, светочувствительный фотоактивный материал третьего поколения". Журнал писем по физической химии . 5 (3): 447–451. DOI : 10.1021 / jz402731s . hdl : 2318/141649 . PMID 26276590 .
- ^ 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 на основе диоксида титана и диоксида циркония для применения в разрушении родамина-B и выделении водорода». Микропористые и мезопористые материалы . 124 (1–3): 169–178. DOI : 10.1016 / j.micromeso.2009.05.006 .
- ^ Бортот Коэльо, Фабрисио; Джионко, Кьяра; Паганини, Мария; Кальца, Паола; Маньякка, Джулиана (3 апреля 2019 г.). «Контроль загрязнения мембран при фильтрации органических веществ с использованием диоксида циркония, легированного Ce, и видимого света» . Наноматериалы . 9 (4): 534. DOI : 10,3390 / nano9040534 . PMID 30987140 .
- ^ Бортот Коэльо, Фабрисио Эдуардо; Канделарио, Виктор М .; Араужу, Эстеван Маньо Родригеш; Миранда, Таня Лусия 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. DOI : 10,3390 / nano10040779 . ISSN 2079-4991 . PMC 7221772 . PMID 32325680 .
- ^ «Оксид циркония Zr02 для оптического покрытия» . Материон . Архивировано из оригинального 20 октября 2013 года . Проверено 30 апреля 2013 года .
- ^ «Коаксиальный хронограф Omega, 44,25 мм» . OMEGA Часы . Архивировано 26 марта 2016 года . Проверено 27 марта 2016 .
- ^ "Speedmaster Moonwatch Темная сторона луны | OMEGA®" . Омега . Архивировано 9 февраля 2018 года . Проверено 8 февраля 2018 .
дальнейшее чтение
- Грин, диджей; Hannink, R .; Суэйн, М.В. (1989). Трансформационное упрочнение керамики . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.
- Heuer, AH; Хоббс, LW, ред. (1981). Наука и технология диоксида циркония . Успехи керамики. 3 . Колумбус, Огайо: Американское керамическое общество. п. 475.
- Claussen, N .; Rühle, M .; Heuer, AH, ред. (1984). Proc. 2-я Международная конф. по науке и технологии диоксида циркония . Успехи керамики. 11 . Колумбус, Огайо: Американское керамическое общество.
Внешние ссылки
- Карманный справочник NIOSH по химической опасности