Диоксид циркония - Zirconium dioxide

"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
ECHA InfoCard100.013.844 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 215-227-2
UNII
Свойства
ZrO
2
Молярная масса123,218 г / моль
Внешностьбелый порошок
Плотность5,68 г / см3
Температура плавления 2715 ° С (4919 ° ​​F, 2988 К)
Точка кипения 4300 ° С (7,770 ° F, 4570 К)
незначительный
Растворимостьрастворим в HF и горячий ЧАС2ТАК4
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
P261, P264, P271, P280, P302 + 352, P304 + 340, P305 + 351 + 338, P312, P321, P332 + 313, P337 + 313, P362, P403 + 233, P405, P501
точка возгоранияНе воспламеняется
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
> 8,8 г / кг (перорально, крыса)
Родственные соединения
Другой анионы
Дисульфид циркония
Другой катионы
Оксид титана
Диоксид гафния
Если не указано иное, данные для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверятьY проверить (что проверятьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Диоксид циркония (ZrO
2), иногда известный как цирконий (не путать с циркон ), представляет собой белый кристаллический окись из цирконий. Его наиболее естественная форма с моноклинический кристаллическая структура, является минеральная бадделеит. Стабилизированный легирующими добавками диоксид циркония кубической структуры, кубический цирконий, синтезируется в различных цветах для использования в качестве драгоценный камень и имитатор алмазов.[1]

Производство, химические свойства, возникновение

Цирконий производится кальцинирование соединения циркония, используя его высокие термостойкость.[2]

Структура

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) O2, является кубический. В отличие от TiO2моноклинный диоксид циркония, в котором присутствует шестикоординированный титан во всех фазах, состоит из семи-координированных центров циркония. Это различие объясняется большим размером атома циркония по сравнению с атомом титана.[4]

Химические реакции

Цирконий химически инертен. Медленно атакует концентрированный плавиковая кислота и серная кислота. При нагревании углем 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 Кролл процесс.

Инженерные свойства

Подшипниковые шарики

Диоксид циркония - один из наиболее изученных керамика материалы. ZrO2 принимает моноклинический Кристальная структура при комнатной температуре и переходит в четырехугольный и кубический 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 смешанный с в некоторых других оксидах тетрагональная и / или кубическая фазы стабилизируются. К эффективным добавкам относятся оксид магния (MgO), оксид иттрия (Y2О3, иттрия), оксид кальция (CaO) и оксид церия (III) (Ce2О3).[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 метастабильный. Если присутствует достаточное количество метастабильной тетрагональной фазы, то приложенное напряжение, увеличенное концентрация напряжения в вершине трещины может привести к превращению тетрагональной фазы в моноклинную с соответствующим объемным расширением. Это фазовое превращение может затем привести к сжатию трещины, замедлению ее роста и увеличению прочности. вязкость разрушения. Этот механизм известен как трансформационное упрочнение и значительно увеличивает надежность и срок службы изделий, изготовленных из стабилизированного диоксида циркония.[6][7]

ZrO2 запрещенная зона зависит от фазы (кубическая, тетрагональная, моноклинная или аморфная) и методов приготовления, 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

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

Основное применение диоксида циркония - производство твердой керамики, например, в стоматологии,[9] с другим использованием, в том числе в качестве защитного покрытия на частицах оксид титана пигменты,[2] как огнеупорный материал, в изоляция, абразивы и эмали. Стабилизированный диоксид циркония используется в кислородные датчики и Топливный элемент мембраны, потому что она позволяет кислород ионы свободно перемещаться по кристаллической структуре при высоких температурах. Этот высокий ионная проводимость (и низкая электронная проводимость) делает его одним из самых полезных электрокерамика.[2] Диоксид циркония также используется в качестве твердый электролит в электрохромные устройства.

Цирконий является предшественником электрокерамического цирконат титанат свинца (PZT), который представляет собой диэлектрик с высоким содержанием K, который содержится во множестве компонентов.

Ниша использует

Очень низкий теплопроводность из кубическая фаза диоксида циркония также привело к его использованию в качестве термобарьерное покрытие, или TBC, в струя и дизельные двигатели для работы при более высоких температурах.[10] Термодинамически, чем выше рабочая температура двигателя, тем выше возможная эффективность. Еще одно 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 изготовлении 1) подрамников для строительства стоматологические реставрации такие как короны и мосты, которые затем облицовываются обычным полевой шпат фарфор по эстетическим причинам или 2) прочные, чрезвычайно прочные зубные протезы, полностью построенные из монолитного диоксида циркония, с ограниченной, но постоянно улучшающейся эстетикой.[11] Цирконий, стабилизированный иттрия (оксид иттрия), известный как оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, может использоваться как прочный базовый материал в некоторых цельнокерамических реставрациях коронок.[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]

Благодаря своей неплавкости и яркому свету при раскаленный, он использовался как ингредиент палочек для внимание.[нужна цитата ]

Цирконий был предложен для электролизовать монооксид углерода и кислород из атмосфера Марса чтобы обеспечить как топливо, так и окислитель, который можно было бы использовать в качестве хранилища химической энергии для наземного транспорта на Марсе. Двигатели с угарным газом / 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 любого водородного топлива .[14]

Диоксид циркония можно использовать как фотокатализатор. [15] с его высокого 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 сокращение Cr (VI) из сточных вод.[19]

Цирконий также является потенциальным диэлектрик high-k материал с потенциальным применением в качестве изолятора в транзисторы.

Диоксид циркония также используется для осаждения оптические покрытия; это материал с высоким индексом, который можно использовать из ближний УФ к средний ИК, из-за низкого поглощения в этой области спектра. В таких приложениях он обычно депонируется PVD.[20]

В ювелирном деле некоторые корпуса часов рекламируются как «черный оксид циркония».[21] В 2015 году Omega выпустила полностью ZrO2 часы под названием "Темная сторона Луны" [22] с керамическим корпусом, безелем, кнопками и застежкой, что говорит о том, что он в четыре раза прочнее нержавеющей стали и, следовательно, более устойчив к царапинам при повседневном использовании.

Имитатор алмаза

Основная статья: Кубический цирконий
Кубический цирконий огранки

Монокристаллы кубической фазы диоксида циркония обычно используются в качестве имитатор алмазов в украшения. Как и алмаз, кубический цирконий имеет кубическую кристаллическую структуру и высокую показатель преломления. Визуально отличить кубический цирконий хорошего качества от алмаза сложно, и у большинства ювелиров есть тестер теплопроводности, чтобы идентифицировать кубический цирконий по его низкому уровню. теплопроводность (алмаз - очень хороший проводник тепла). Это состояние диоксида циркония обычно называют кубический цирконий, CZ, или циркон от ювелиры, но фамилия не точна по химическому составу. Циркон на самом деле это минеральное название встречающихся в природе силикат циркония (ZrSiO4).

Смотрите также

использованная литература

  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 .; Конг, Л. Б. (1 мая 2013 г.). «Прозрачная керамика: обработка, материалы и применение». Прогресс в химии твердого тела. 41 (1): 20–54. Дои:10.1016 / j.progsolidstchem.2012.12.002. ISSN  0079-6786.
  2. ^ а б c d Ральф Нильсен «Цирконий и соединения циркония» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. Дои:10.1002 / 14356007.a28_543
  3. ^ Р. Стивенс, 1986. Введение в диоксид циркония. Магний Электрон Публикация № 113
  4. ^ Greenwood, N. N .; 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.). «Конечноэлементный анализ превращения тетрагональной фазы в моноклинную при окислении циркониевых сплавов». Журнал ядерных материалов. 454 (1–3): 290–297. Дои:10.1016 / j.jnucmat.2014.08.020.
  6. ^ а б Evans, A.G .; Кэннон, Р. (1986). «Упрочнение хрупких тел мартенситными превращениями». Acta Metall. 34: 761. Дои:10.1016/0001-6160(86)90052-0.
  7. ^ Портер, Д.Л .; Evans, A.G .; Heuer, A.H. (1979). «Ужесточение трансформации в ПСЗ». Acta Metall. 27: 1649. Дои: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 B. 19 (5): 1782–1787. Дои:10.1116/1.1396639.
  9. ^ Гамбоги, Джозеф. «Информация о минералах USGS: цирконий и гафний». Minerals.usgs.gov. В архиве из оригинала 18 февраля 2018 г.. Получено 5 мая 2018.
  10. ^ «Термобарьерные покрытия для более эффективных газотурбинных двигателей». studylib.net. Получено 2018-08-06.
  11. ^ Папаспиридакос, Панос; Кунал Лал (2008). «Полная реабилитация дугового имплантата с использованием субтрактивного быстрого прототипирования и фарфора, сплавленного с циркониевым протезом: клинический отчет». Журнал ортопедической стоматологии. 100 (3): 165–172. Дои: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 оригинал 21 декабря 2012 г.. Получено 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. Дои:10.2514/2.3739.
  15. ^ 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. Дои: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". Письма в Журнал физической химии. 5 (3): 447–451. Дои: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 деградации родамина-B и выделении водорода». Микропористые и мезопористые материалы. 124 (1–3): 169–178. Дои:10.1016 / j.micromeso.2009.05.006.
  18. ^ Бортот Коэльо, Фабрисио; Джионко, Кьяра; Паганини, Мария; Кальца, Паола; Маньякка, Джулиана (3 апреля 2019 г.). «Контроль загрязнения мембраны при фильтрации органических веществ с использованием диоксида циркония, легированного цеемлем, и видимого света». Наноматериалы. 9 (4): 534. Дои:10.3390 / нано9040534. 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. Дои:10.3390 / нано10040779. ISSN  2079-4991. ЧВК  7221772. PMID  32325680.
  20. ^ «Оксид циркония Zr02 для оптического покрытия». Материон. Архивировано из оригинал 20 октября 2013 г.. Получено 30 апреля, 2013.
  21. ^ «Коаксиальный хронограф Omega, 44,25 мм». OMEGA часы. В архиве из оригинала от 26.03.2016. Получено 2016-03-27.
  22. ^ "Speedmaster Moonwatch Dark Side Of The Moon | OMEGA®". Омега. В архиве из оригинала на 2018-02-09. Получено 2018-02-08.

дальнейшее чтение

  • Грин, Д. Дж .; Hannink, R .; Суэйн, М. В. (1989). Трансформационное упрочнение керамики. Бока-Ратон: CRC Press. ISBN  0-8493-6594-5.
  • Heuer, A.H .; Хоббс, Л.В., ред. (1981). Наука и технология диоксида циркония. Успехи керамики. 3. Колумбус, Огайо: Американское керамическое общество. п. 475.
  • Claussen, N .; Rühle, M .; Heuer, A.H., ред. (1984). Proc. 2-я Международная конф. по науке и технологии диоксида циркония. Успехи керамики. 11. Колумбус, Огайо: Американское керамическое общество.

внешние ссылки