Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
"Цирконий" перенаправляется сюда. Для минерала см Циркон .
Диоксид циркония
ZrO2powder.jpg
Кристаллструктур Zirconium (IV) -oxid.png
Имена
Имена ИЮПАК
Диоксид
циркония Оксид циркония (IV)
Другие имена
Цирконий
бадделеит
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ECHA InfoCard100.013.844 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 215-227-2
UNII
Характеристики
ZrO
2
Молярная масса123,218 г / моль
Внешностьбелый порошок
Плотность5,68 г / см 3
Температура плавления 2715 ° С (4919 ° ​​F, 2988 К)
Точка кипения 4300 ° С (7,770 ° F, 4570 К)
незначительный
Растворимостьрастворим в HF и горячем H 2 SO 4
2,13
Термохимия
50,3 Дж  · К −1 моль −1
–1080 кДж / моль
Опасности
Паспорт безопасностиMSDS
Пиктограммы GHSGHS07: Вредно
Сигнальное слово GHSПредупреждение
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 возгоранияНегорючий
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
> 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).
проверитьY проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

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]

Производство, химические свойства, возникновение [ править ]

Диоксид циркония получают путем прокаливания соединений циркония, используя его высокую термическую стабильность . [2]

Структура [ править ]

Известны три фазы: моноклинная ниже 1170 ° C, тетрагональная между 1170 ° C и 2370 ° C и кубическая выше 2370 ° C. [3] Тенденция к более высокой 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 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 [ править ]

Цирконий химически инертен. Он медленно разрушается концентрированной плавиковой и серной кислотами . 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 [ править ]

Подшипниковые шарики

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 примеси 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 переходы 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 затем привести к сжатию трещины, замедляя ее рост и повышая вязкость разрушения.. Этот механизм известен как трансформационное упрочнение и 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 [ редактировать ]

Высокопрозрачный мостовидный протез из диоксида циркония, наслоенный фарфором и окрашенный глянцевой пастой

Основное применение диоксида циркония в производстве жестких керамики, например, в стоматологии, [9] с другими видами в том числе в качестве защитного покрытия на частицах диоксида титана , пигменты, [2] в качестве огнеупорного материала, в изоляции , абразивных материалов и эмалей . 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 его одним из самых полезныхэлектрокерамика . [2] Диоксид циркония также используется в качестве твердого электролита в электрохромных устройствах .

Диоксид циркония является предшественником электрокерамического цирконата титаната свинца ( PZT ), который представляет собой диэлектрик с высоким содержанием K, который содержится во множестве компонентов.

Ниша использует [ править ]

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] Термодинамически, чем выше рабочая температура двигателя, тем выше возможный КПД . Другое применение с низкой теплопроводностью - изоляция из керамического волокна для печей для выращивания кристаллов, изоляция батареи топливных элементов и систем инфракрасного нагрева.

Этот материал также используется в стоматологии при производстве подрамников для изготовления зубных реставраций, таких как коронки и мосты , 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] Цирконий, стабилизированный оксидом иттрия (оксид иттрия), известный как оксид циркония , стабилизированный оксидом иттрия , может использоваться в качестве прочного основного материала в некоторых цельнокерамических коронках. [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, не требуя использования каких-либо водных ресурсов Марса для получения водорода, который был бы необходим для производства метана или любое водородное топливо. [14]

Диоксид циркония может использоваться в качестве фотокатализатора [15], поскольку его большая запрещенная зона (~ 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 быть использован 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 «The Dark Side of The Moon» [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.

Алмазный имитатор [ править ]

Основная статья: Кубический цирконий
Кубический цирконий огранки

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, позволяющий 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. Цирконна самом деле минеральное название силиката циркония природного происхождения (ZrSiO 4 ).

См. Также [ править ]

  • Закалка
  • Спекание
  • Звезда S-типа , излучающая спектральные линии циркония
  • Диоксид циркония, стабилизированный иттрием

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ван, SF; Zhang, J .; Луо, DW; Gu, F .; Тан, ДЙ; Донг, ZL; Тан, ГЭБ; Que, WX; Zhang, TS; 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 .
  2. ^ 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
  3. ^ Р. Стивенс, 1986. Введение в диоксид циркония. Магний Электрон Публикация № 113
  4. ^ Гринвуд, штат Нью-Йорк; И Эрншоу, А. (1997). Химия элементов (2-е изд.), Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-3365-4 
  5. ^ Platt, P .; Frankel, P .; Gass, M .; Howells, R .; Прейс, М. (ноябрь 2014 г.). «Конечно-элементный анализ превращения тетрагональной в моноклинную фазу при окислении циркониевых сплавов» . Журнал ядерных материалов . 454 (1–3): 290–297. DOI : 10.1016 / j.jnucmat.2014.08.020 .
  6. ^ a b Evans, AG; Кэннон, RM (1986). «Упрочнение хрупких тел мартенситными превращениями» . Acta Metall . 34 : 761. DOI : 10,1016 / 0001-6160 (86) 90052-0 .
  7. ^ Портер, DL; Evans, AG; Heuer, AH (1979). «Ужесточение трансформации в ПСЗ». Acta Metall . 27 : 1649. DOI : 10,1016 / 0001-6160 (79) 90046-4 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ Гамбоги, Джозеф. «Информация о минералах USGS: цирконий и гафний» . Minerals.usgs.gov . Архивировано 18 февраля 2018 года . Дата обращения 5 мая 2018 .
  10. ^ «Термобарьерные покрытия для более эффективных газотурбинных двигателей» . studylib.net . Проверено 6 августа 2018 .
  11. ^ 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 . 
  12. ^ Шен, Джеймс, изд. (2013). Современная керамика для стоматологии (1-е изд.). Амстердам: Elsevier / BH. п. 271. ISBN. 978-0123946195.
  13. ^ «Лучшие керамические ножи, столовые приборы и кухонная утварь - ножи Kyocera» . kyoceraadvancedceramics.com . Архивировано из оригинального 21 декабря 2012 года . Дата обращения 5 мая 2018 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ Коно, Yoshiumi; 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 .
  16. ^ Джионко, Кьяра; Паганини, Мария С .; Джамелло, Элио; Берджесс, Робертсон; Ди Валентин, Кристиана; Пачиони, Джанфранко (15 января 2014 г.). "Диоксид циркония, легированный церием, светочувствительный светочувствительный материал третьего поколения". Журнал писем по физической химии . 5 (3): 447–451. DOI : 10.1021 / jz402731s . hdl : 2318/141649 . PMID 26276590 . 
  17. ^ 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 .
  18. ^ Bortot Коэльо, Fabrício; 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 . 
  19. ^ Бортот Коэльо, Фабрисио Эдуардо; Канделарио, Виктор М .; Араужу, Эстеван Маньо Родригеш; Миранда, Таня Лусиа 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 .   
  20. ^ "Оксид циркония Zr02 для оптического покрытия" . Материон . Архивировано из оригинального 20 октября 2013 года . Проверено 30 апреля 2013 года .
  21. ^ "Коаксиальный хронограф Омега 44,25 мм" . OMEGA Часы . Архивировано 26 марта 2016 года . Проверено 27 марта 2016 .
  22. ^ "Speedmaster Moonwatch Dark Side Of The Moon | OMEGA®" . Омега . Архивировано 9 февраля 2018 года . Проверено 8 февраля 2018 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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 [ править ]

  • Карманный справочник NIOSH по химической опасности