زیرکونیا (اکسید زیرکونیوم)

اکسید زیرکونیوم یا زیرکونیا (ZrO₂) از سرامیک های بسیار مهم صنعتی به شمار می رود. این ماده مهندسی به دلیل ویژگی های جذاب اپتیکی، کاتالیستی، حسگری، مکانیکی و شیمیایی که دارد، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. برای آشنایی بیشتر با اکسید زیرکونیوم و کاربردهای آن، با ما همراه باشید.

چرا اکسید زیرکونیوم؟!

امروزه از اکسید زیرکونیوم با نام «اکسید همه چیز تمام» یاد می شود! مطمئنا این لقب بی دلیل انتخاب نشده است. خواص شگفت انگیزی که این ماده دارد، یکی یا دو تا نیستند. بازار جهانی ZrO₂ در سال ۲۰۱۹ برابر با 5/11 میلیارد دلار بوده است و انتظار می رود تا سال ۲۰۲۷ به ۷٫۶۸ میلیارد دلار برسد! وقتی از ویژگی های نانو پودر اکسید زیرکونیوم با خبر شویم، این ارقام و اخبار کمتر ما را متعجب می کنند.

مروری بر خواص زیرکونیا

اکسید زیرکونیوم با فرمول شیمیایی شیمیایی ZrO₂ یک مادۀ بلوری سفیدرنگ است. زیرکونیا مهم ترین و پایدارترین اکسید عنصر زیرکونیوم است که در دستۀ سرامیک ها قرار می گیرد. حتما مخاطبینی که در حوزۀ جوشکاری تخصص دارند، از کاربردهای آن با خبر هستند. از آنجا که ضریب انبساط حرارتی این ماده نزدیک به فولاد است، از آن هم برای جوشکاری سرامیک و هم فولاد استفاده می شود.

این ماده معمولا به شکل اکسید خالص در طبیعت وجود ندارد. بلکه در کانی‌ های بادلایت (baddelyite) و زیرکون (zircon) یافت می گردد. معادن زیرکون گستردگی زیادی دارند؛ اما این کانی خلوص کمتری دارد. بنابراین استفاده از آن نیاز به فرایندهای آماده‌ سازی بیشتری در مقایسه با بادلایت دارد. از این رو منبع اصلی زیرکونیا سنگ معدنی بادلایت است.

خواص و ویژگی‌های ZrO₂

روش های سنتز اکسید زیرکونیوم

سنتز زیرکونیا از زیرکون

تولید ZrO₂ از سنگ معدنی زیرکون خود به روش های مختلفی تقسیم می شود که عمدتا جنبه شیمیایی دارند. صرف نظر از تفاوت این روش ها، همگی در ویژگی های زیر مشترک هستند:

• همه این روش ها حتما شامل تجزیه مکانیکی، حرارتی یا شیمیایی زیرکون هستند.
• محصولاتی که از تجزیه به دست می آیند، دستخوش تغییرات انحلال پذیری می شوند.
• همه انواع زیرکونیای نهایی، از جدایش ناخالصی های کانی زیرکون به دست آمده اند.

سنتز زیرکونیا از بادلایت

برای تولید اکسید زیرکونیوم از بادلایت ابتدا عملیات جدا سازی مکانیکی انجام می گیرد. پس از جداسازی مکانیکی، ZrO₂ با خلوص ۹۶% حاصل می شود. حال نوبت به جداسازی مغناطیسی می رسد که خلوص ۹۹% را به دنبال دارد. در ادامه نیز با انجام یک سری عملیات‌ شیمیایی خلوص این ماده سرامیکی را بالاتر می‌برند.

ساختارهای کریستالی ZrO₂

با انجام آنالیز تفرق اشعه X روی اکسید زیرکونیوم، این ماده در سه پلی‌ مورف کریستالی مونوکلینیک، تتراگونال و مکعبی دیده شده است. هر کدام از این ساختارهای کریستالی در یک محدودهٔ دمایی متفاوت پایدار هستند. لازم به ذکر است این محدوده های دمایی توسط روش های تجربی مانند دیلاتومتری، میکروسکوپ های الکترونی و آنالیز DTA به دست آمده اند.

اکسید زیرکونیوم مونوکلینیک

ساختار کریستالی مونوکلینیک از نظر ترمودینامیکی از دمای اتاق تا حدود ۱۱۷۰ درجه سلسیوس پایدار است. از این ساختار اغلب تحت عنوان مینرال بادلیت نیز یاد می شود. «یاردلی» اولین کسی بود که در سال ۱۹۲۶ وجود چهار مولکول اکسید زیرکونیوم را در در این سلول واحد پیش بینی کرد.

اکسید زیرکونیوم تتراگونال

پلی مورف تتراگونال ZrO₂ برای اولین بار توسط «روف و ابرت» در سال ۱۹۲۹ در اثر تبدیل از فاز مونوکلینیک در رنج دمایی ۱۱۰۰ تا ۱۲۰۰ مشاهده شد و بعد ها گسترۀ دمایی دقیق تر آن گزارش شد. یون Zr⁺⁴ در فرم تتراگونال اکسید زیرکونیوم، به کئوردیناسیون هشت تایی متمایل است.

اکسید زیرکونیوم مکعبی

فاز مکعبی اکسید در دماهای بسیار بالا پایدار است. این فاز ساختمانی معادل با ساختمان CaF₂ با وجوه پر دارد. در این ساختار یون های Zr⁺⁴ به همراه یون های اکسیژن در دو تتراهدرال یکسان مرتب شده اند. پارامتر شبکه در این حالت حدودا ۰٫۵۰۸ نانومتر است. برای اولین بار «اسمیت وکولون» در سال ۱۹۶۲ تحول زیرکونیای تتراگونال به مکعبی را با استفاده از XRD دما بالا تشخیص داد.

کاربردهای زیرکونیا

از گستردگی کاربردهای این ماده پرطرفدار همین را بگوییم که روزانه چندین مقاله در مجلات علمی در رابطه با کاربرد این اکسید در حوزه های مختلف منتشر می شود! از این رو بررسی همۀ کاربردهای آن در یک مقالۀ کوتاه تقریبا غیرممکن است. در ادامه به طور خلاصه به چند کاربرد اکسید زیرکونیوم در عرصه های مختلف اشاره می کنیم.

صنعت دیرگداز

امروزه ZrO₂ تثبیت شده را به دلیل داشتن نقطه ذوب بالا و خواص شیمیایی پایدار، به عنوان یک نسوز عالی می شناسند. حضور نانو پودر اکسید زیرکونیوم به همراه آلومینا به صورت کامپوزیت، تا حد زیادی باعث افزایش مقاومت به سایش و مقاومت به شوک حرارتی می شود. این موضوع کاربرد آن را در مواردی چون مسیرهای راهگاهی ریخته گری پیوسته فولاد امکان پذیر می کند.

از ZrO₂ در ساخت بوته های ذوب فلز به خصوص ذوب فلزات گران بها و سوپر آلیاژهای مصرفی در پره های توربین، بوته های چینی آزمایشگاهی ، نسوزهای مقاوم در برابر شوک حرارتی در آستر کوره ها و پاتیل ها و ابزارآلات کوره های پخت سرامیکی استفاده می شود. البته لازم به ذکر است این ماده مقاومت کمی در برابر حمله سرباره های بازی و اکسید آهن دارد.

6

دقیــقه مطالعه

جرم نسوز ریختنی چیست و چه انواعی دارد؟

در اصطلاح نسوزها، منظور از «جرم نسوز» یا «جرم دیرگداز» موادی مانند خاک ها و پودر...

پیل های سوختی

پیل های سوختی باعث افزایش راندمان تولید انرژی و کاهش آلودگی می شوند. در این پیل ها مخلوط گازی قابل احتراق (H₂ + CO) از سطح داخلی الکترولیتی زیرکونیایی که به شکل یک لوله است عبور می کند. با عبور اکسیژن از درون الکترولیت (ZrO₂ – Y₂O₃) گازهای H₂ و CO امکان احتراق پیدا نموده و گازهای CO₂ و H₂O تولید می شوند.

انرژی آزاد حاصل از واکنش های احتراق به جریان الکتریکی تبدیل شده و در مدار خارجی استفاده می شود. این نوع پیل ها با مصرف گاز طبیعی به عنوان سوخت اولیه می توانند برای دو هدف تولید الکتریسیته و تولید محصولات جانبی به کار گرفته شود.

قالب های شکل دهی

همان طور که می دانید، معمولا از موادی نظیر فولاد ابزار، کاربید تنگستن و انواع سوپر آلیاژها برای ساخت قالب‌های اکستروژن استفاده می‌شود. اما این مواد یک ایراد اساسی دارند: به دلیل دفرمه شدن، روی سطح محصول نهایی اثرگذارند.

در مقابل، سرامیک ‌های کامپوزیتی آلومینا-زیرکونیا به دلیل مقاومت به شوک حرارتی بالا، هدایت حرارتی پایین، قابلیت پولیش بالا، مقاومت به خزش و سطح نهایی مناسب قطعه راضی‌کننده هستند.

الکترونیک

اواسط دهۀ ۱۹۵۰ میلادی بود که خواص پیزوالکتریک محلول جامد «سرب – زیرکونیا – تیتانات»  کشف شد. از آن زمان تا به امروز، پیزوالکتریک ها دنیای الکترونیک را دگرگون کرده اند. سرامیک‌های ZrO₂ به عنوان بخش اصلی پیزوالکتریک ها، اهمیت زیادی در تولید این مواد دارند. در این مواد تغییرات فشار باعث تولید ولتاژ و جریان الکتریکی می شود.

تولید هیدروژن

از انرژی هیدروژن حاصل از تجزیۀ آب برای بالا بردن راندمان نیروگاه های حرارتی استفاده می شود. طبق تحقیقات اخیر، با فرایند الکترولیز در دماهای بالا، بازدۀ تولید هیدروژن افزایش می یابد. این هدف با استفاده از یک غشای متخلخل زیرکونیای تثبیت شده امکان پذیر است. در این فرایند بخار آب در کاتد به واسطه اعمال ولتاژ تجزیه شده و یون اکسیژن از میان غشا گفته شده جریان می یابد در حالی که هیدروژن از مدار خارج می شود.

شیشه و لعاب

به دلیل مقاومت بسیار بالایی که ZrO₂ در برابر محیط های قلیایی دارد، در لعاب ها و شیشه ها به کار می رود. یون های زیرکونیم در شیشه تمایل به پیدا کردن عدد همسایگی ۴ دارند از این رو در شبکۀ سیلیکات قرار می گیرند. بنابراین از شبکه جدا شده و به عنوان عامل جوانه زا عمل می کند. از نانو پودر اکسید زیرکونیوم در لعاب های معمولی به عنوان مات کننده و در لعاب های سفید به عنوان عامل رسوب کننده استفاده می شود.

6

دقیــقه مطالعه

شیشه‌ ها و کاربردهای آن‌ها

شیشه ها دسته‌ای از مواد آمورف هستند که از منجمد شدن یک مذاب بدون فرایند کریستالی...

ضربه گیر دینامیکی

زیرکونیا در شرایط مناسب ریزساختاری و فازی، بالاترین مقاومت به ضربه را در بین همۀ سرامیک‌ها دارد. به همین دلیل در ابزاری مانند سر و آستر پیستون، چوب گلف، قیچی سرامیکی، واشر شیرها و پروانۀ پمپ های انتقال مواد شیمیایی کاربرد دارد.

راهنمای خرید نانو پودر اکسید زیرکونیوم

نانو پودر اکسید زیرکونیوم که در بازار عرضه می شود معمولا به شکل کروی و سفید رنگ است. این ذرات غالباً به صورت نانو سیم، نانو دات و نانو کریستال های غیر منظم عرضه می شوند. توجه به مورفولوژی و توزیع اندازه ذرات زیرکونیا در هنگام خرید بسیار ضروری است. چرا که انتخاب این مواد با توجه به کاربرد صنعتی و آزمایشگاهی صورت می گیرد. در هر کاربردی نیز به یک مورفولوژی و اندازۀ ذره نیاز است. برای تهیۀ این محصول حتما به شماره CAS آن توجه کنید که باید ۱۳۱۴-۲۳-۴ باشد.

منابع

www.researchgate.net
www.zircon-association.org