Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из оксида циркония )
Перейти к навигации Перейти к поиску
"Цирконий" перенаправляется сюда. Для минерала см Циркон .
Диоксид циркония
ZrO2powder.jpg
Kristallstruktur Zirconium(IV)-oxid.png
Имена
Имена ИЮПАК
Диоксид
циркония Оксид циркония (IV)
Другие названия
Цирконий
бадделеит
Идентификаторы
  • 1314-23-4 checkY
3D модель ( JSmol )
ECHA InfoCard100.013.844 Edit this at Wikidata
Номер ЕС
  • 215-227-2
UNII
  • InChI = 1S / 2O.Zr
    Ключ: MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N
  • O = [Zr] = O
Характеристики
ZrO
2
Молярная масса123,218 г / моль
Появлениебелый 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 безопасностиПаспорт безопасности
Пиктограммы GHSGHS07: Harmful
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 возгоранияНе воспламеняется
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).
checkY проверить  ( что есть   ?)checkY☒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] 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 циркониевых центров. Это различие объясняется большим размером атома циркония по сравнению с атомом титана. [4]

Химические реакции [ править ]

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 [ 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 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 [ редактировать ]

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 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] 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.

This material is also used in dentistry in the manufacture of subframes for the construction of dental restorations such as crowns and bridges, which are then veneered with a conventional feldspathic porcelain for aesthetic reasons, or of strong, extremely durable dental prostheses constructed entirely from monolithic zirconia, with limited but constantly improving aesthetics.[11] Zirconia stabilized with yttria (yttrium oxide), known as yttria-stabilized zirconia, can be used as a strong base material in some full ceramic crown restorations.[12]

Transformation toughened zirconia is used to make ceramic knives. Because of the hardness, ceramic-edged cutlery stays sharp longer than steel edged products.[13]

Due to its infusibility and brilliant luminosity when incandescent, it was used as an ingredient of sticks for limelight.[citation needed]

Zirconia has been proposed to electrolyze carbon monoxide and oxygen from the atmosphere of Mars to provide both fuel and oxidizer that could be used as a store of chemical energy for use with surface transportation on Mars. Carbon monoxide/oxygen engines have been suggested for early surface transportation use as both carbon monoxide and oxygen can be straightforwardly produced by zirconia electrolysis without requiring use of any of the Martian water resources to obtain hydrogen, which would be needed for the production of methane or any hydrogen-based fuels.[14]

Zirconia can be used as photocatalyst [15] since its high band gap (~ 5 eV)[16] allows the generation of high energetic electrons and holes. Some studies demonstrated the activity of doped zirconia (in order to increase visible light absorption) in degrading organic compounds [17][18] and reducing Cr(VI) from wastewaters.[19]

Zirconia is also a potential high-k dielectric material with potential applications as an insulator in transistors.

Zirconia is also employed in the deposition of optical coatings; it is a high-index material usable from the near-UV to the mid-IR, due to its low absorption in this spectral region. In such applications, it is typically deposited by PVD.[20]

In jewelry making, some watch cases are advertised as being "black zirconium oxide".[21] In 2015 Omega released a fully ZrO2 watch named "The Dark Side of The Moon" [22] with ceramic case, bezel, pushers and clasp, advertising it as four times harder than stainless steel and therefore much more resistant to scratches during everyday use.

Diamond simulant[edit]

Main article: Cubic zirconia
Brilliant-cut cubic zirconia

Single crystals of the cubic phase of zirconia are commonly used as diamond simulant in jewellery. Like diamond, cubic zirconia has a cubic crystal structure and a high index of refraction. Visually discerning a good quality cubic zirconia gem from a diamond is difficult, and most jewellers will have a thermal conductivity tester to identify cubic zirconia by its low thermal conductivity (diamond is a very good thermal conductor). This state of zirconia is commonly called cubic zirconia, CZ, or zircon by jewellers, but the last name is not chemically accurate. Zircon is actually the mineral name for naturally occurring zirconium silicate (ZrSiO4).

See also[edit]

  • Quenching
  • Sintering
  • S-type star, emitting zirconium spectral lines
  • Yttria-stabilized zirconia

References[edit]

  1. ^ Wang, S. F.; Zhang, J.; Luo, D. W.; Gu, F.; Tang, D. Y.; Dong, Z. L.; Tan, G. E. B.; Que, W. X.; Zhang, T. S.; Li, S.; Kong, L. B. (2013-05-01). "Transparent ceramics: Processing, materials and applications". Progress in Solid State Chemistry. 41 (1): 20–54. doi:10.1016/j.progsolidstchem.2012.12.002. ISSN 0079-6786.
  2. ^ a b c d Ralph Nielsen "Zirconium and Zirconium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a28_543
  3. ^ R. Stevens, 1986. Introduction to Zirconia. Magnesium Elektron Publication No 113
  4. ^ Greenwood, N. N.; & Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd Edn.), Oxford:Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4
  5. ^ Platt, P.; Frankel, P.; Gass, M.; Howells, R.; Preuss, M. (November 2014). "Finite element analysis of the tetragonal to monoclinic phase transformation during oxidation of zirconium alloys". Journal of Nuclear Materials. 454 (1–3): 290–297. doi:10.1016/j.jnucmat.2014.08.020.
  6. ^ a b Evans, A.G.; Cannon, R.M. (1986). "Toughening of brittle solids by martensitic transformations". Acta Metall. 34: 761. doi:10.1016/0001-6160(86)90052-0.
  7. ^ Porter, D.L.; Evans, A.G.; Heuer, A.H. (1979). "Transformation toughening in PSZ". Acta Metall. 27: 1649. doi:10.1016/0001-6160(79)90046-4.
  8. ^ Chang, Jane P.; You-Sheng Lin; Karen Chu (2001). "Rapid thermal chemical vapor deposition of zirconium oxide for metal-oxide-semiconductor field effect transistor application". Journal of Vacuum Science and Technology B. 19 (5): 1782–1787. doi:10.1116/1.1396639.
  9. ^ Gambogi, Joseph. "USGS Minerals Information: Zirconium and Hafnium". minerals.usgs.gov. Archived from the original on 18 February 2018. Retrieved 5 May 2018.
  10. ^ "Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines". studylib.net. Retrieved 2018-08-06.
  11. ^ Papaspyridakos, Panos; Kunal Lal (2008). "Complete arch implant rehabilitation using subtractive rapid prototyping and porcelain fused to zirconia prosthesis: A clinical report". The Journal of Prosthetic Dentistry. 100 (3): 165–172. doi:10.1016/S0022-3913(08)00110-8. PMID 18762028.
  12. ^ Shen, James, ed. (2013). Advanced ceramics for dentistry (1st ed.). Amsterdam: Elsevier/BH. p. 271. ISBN 978-0123946195.
  13. ^ "Best Ceramic Knives, Cutlery, & Kitchenware - Kyocera Knives". kyoceraadvancedceramics.com. Archived from the original on 21 December 2012. Retrieved 5 May 2018.
  14. ^ Landis, Geoffrey A.; Linne, Diane L. (2001). "Mars Rocket Vehicle Using In Situ Propellants". Journal of Spacecraft and Rockets. 38 (5): 730–35. doi:10.2514/2.3739.
  15. ^ Kohno, Yoshiumi; Tanaka, Tsunehiro; Funabiki, Takuzo; Yoshida, Satohiro (1998). "Identification and reactivity of a surface intermediate in the photoreduction of CO2 with H2 over ZrO2". Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 94 (13): 1875–1880. doi:10.1039/a801055b.
  16. ^ Gionco, Chiara; Paganini, Maria C.; Giamello, Elio; Burgess, Robertson; Di Valentin, Cristiana; Pacchioni, Gianfranco (15 January 2014). "Cerium-Doped Zirconium Dioxide, a Visible-Light-Sensitive Photoactive Material of Third Generation". The Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (3): 447–451. doi:10.1021/jz402731s. hdl:2318/141649. PMID 26276590.
  17. ^ Yuan, Quan; Liu, Yang; Li, Le-Le; Li, Zhen-Xing; Fang, Chen-Jie; Duan, Wen-Tao; Li, Xing-Guo; Yan, Chun-Hua (August 2009). "Highly ordered mesoporous titania–zirconia photocatalyst for applications in degradation of rhodamine-B and hydrogen evolution". Microporous and Mesoporous Materials. 124 (1–3): 169–178. doi:10.1016/j.micromeso.2009.05.006.
  18. ^ Bortot Coelho, Fabrício; Gionco, Chiara; Paganini, Maria; Calza, Paola; Magnacca, Giuliana (3 April 2019). "Control of Membrane Fouling in Organics Filtration Using Ce-Doped Zirconia and Visible Light". Nanomaterials. 9 (4): 534. doi:10.3390/nano9040534. PMID 30987140.
  19. ^ Bortot Coelho, Fabrício Eduardo; Candelario, Victor M.; Araújo, Estêvão Magno Rodrigues; Miranda, Tânia Lúcia Santos; Magnacca, Giuliana (18 April 2020). "Photocatalytic Reduction of Cr(VI) in the Presence of Humic Acid Using Immobilized Ce–ZrO2 under Visible Light". Nanomaterials. 10 (4): 779. doi:10.3390/nano10040779. ISSN 2079-4991. PMC 7221772. PMID 32325680.
  20. ^ "Zirconium Oxide Zr02 For Optical Coating". Materion. Archived from the original on October 20, 2013. Retrieved April 30, 2013.
  21. ^ "Omega Co-Axial Chronograph 44.25 mm". OMEGA Watches. Archived from the original on 2016-03-26. Retrieved 2016-03-27.
  22. ^ "Speedmaster Moonwatch Dark Side Of The Moon | OMEGA®". Omega. Archived from the original on 2018-02-09. Retrieved 2018-02-08.

Further reading[edit]

  • Green, D. J.; Hannink, R.; Swain, M. V. (1989). Transformation Toughening of Ceramics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.
  • Heuer, A.H.; Hobbs, L.W., eds. (1981). Science and Technology of Zirconia. Advances in Ceramics. 3. Columbus, OH: American Ceramic Society. p. 475.
  • Claussen, N.; Rühle, M.; Heuer, A.H., eds. (1984). Proc. 2nd Int'l Conf. on Science and Technology of Zirconia. Advances in Ceramics. 11. Columbus, OH: American Ceramic Society.

External links[edit]

  • NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards