Oxid zirkoničitý - Zirconium dioxide
Jména | |
---|---|
Názvy IUPAC Oxid zirkoničitý Oxid zirkoničitý | |
Ostatní jména Zirkon Baddeleyit | |
Identifikátory | |
Informační karta ECHA | 100.013.844 |
Číslo ES |
|
PubChem CID | |
UNII | |
Řídicí panel CompTox (EPA) | |
| |
Vlastnosti | |
ZrO 2 | |
Molární hmotnost | 123 218 g / mol |
Vzhled | bílý prášek |
Hustota | 5,68 g / cm3 |
Bod tání | 2715 ° C (4919 ° F; 2988 K) |
Bod varu | 4 300 ° C (4 770 ° F; 4 570 K) |
zanedbatelný | |
Rozpustnost | rozpustný v HF, a horký H2TAK4 |
Index lomu (nD) | 2.13 |
Termochemie | |
Std molární entropie (S | 50,3 J K.−1 mol−1 |
Std entalpie of formace (ΔFH⦵298) | –1080 kJ / mol |
Nebezpečí | |
Bezpečnostní list | BL |
Piktogramy GHS | |
Signální slovo GHS | Varování |
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 | |
Bod vzplanutí | Nehořlavé |
Smrtelná dávka nebo koncentrace (LD, LC): | |
LD50 (střední dávka ) | > 8,8 g / kg (orálně, potkan) |
Související sloučeniny | |
jiný anionty | Disulfid zirkoničitý |
jiný kationty | Oxid titaničitý Oxid hafnium |
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
ověřit (co je ?) | |
Reference Infoboxu | |
Oxid zirkoničitý (ZrO
2), někdy známý jako zirkon (nezaměňovat s zirkon ), je bílá krystalická látka kysličník z zirkonium. Jeho nejpřirozeněji se vyskytující forma s a monoklinický krystalická struktura, je minerální baddeleyit. Dopantem stabilizovaný kubický strukturovaný zirkon, kubický zirkon, je syntetizován v různých barvách pro použití jako drahokam a a diamantový simulátor.[1]
Výroba, chemické vlastnosti, výskyt
Oxid zirkoničitý vyrábí společnost kalcinace sloučeniny zirkonia, využívající jeho vysoké hodnoty tepelná stabilita.[2]
Struktura
Jsou známy tři fáze: monoklinická pod 1170 ° C, tetragonální mezi 1170 ° C a 2370 ° C a kubická nad 2370 ° C.[3] Trendem je vyšší symetrie při vyšších teplotách, jak je tomu obvykle. Malé procento oxidů vápníku nebo yttria se stabilizuje v kubické fázi.[2] Velmi vzácný minerál tazheranit (Zr, Ti, Ca) O2, je krychlový. Na rozdíl od TiO2, který obsahuje šest koordinovaný titan ve všech fázích, monoklinický oxid zirkoničitý se skládá ze sedmi koordinovaných center zirkonia. Tento rozdíl se připisuje větší velikosti atomu zirkonia ve srovnání s atomem titanu.[4]
Chemické reakce
Oxid zirkoničitý je chemicky nereaktivní. Je pomalu napaden koncentrovaným kyselina fluorovodíková a kyselina sírová. Při zahřátí na uhlí se přemění na karbid zirkonia. Při zahřívání uhlíkem za přítomnosti chloru se přeměňuje na chlorid zirkoničitý. Tato přeměna je základem pro čištění kovového zirkonia a je analogická s Krollov proces.
Inženýrské vlastnosti
Oxid zirkoničitý je jedním z nejvíce studovaných keramický materiály. ZrO2 přijímá a monoklinický Krystalická struktura při pokojové teplotě a přechází do čtyřúhelníkový a krychlový při vyšších teplotách. Změna objemu způsobená přechodem struktury z tetragonální do monoklinické do kubické indukuje velká napětí, která po ochlazení z vysokých teplot způsobí prasknutí.[5] Když je zirkon ve směsi s u některých jiných oxidů jsou stabilizovány tetragonální a / nebo kubické fáze. Mezi účinné dopující látky patří oxid hořečnatý (MgO), oxid yttritý (Y2Ó3, yttria), oxid vápenatý (CaO) a oxid ceričitý (Ce2Ó3).[6]
Oxid zirkoničitý je často užitečnější ve své fázi „stabilizovaného“ stavu. Po zahřátí prochází oxid zirkoničitý rušivými fázovými změnami. Přidáním malého procenta yttria jsou tyto fázové změny eliminovány a výsledný materiál má vynikající tepelné, mechanické a elektrické vlastnosti. V některých případech může být tetragonální fáze metastabilní. Pokud je přítomno dostatečné množství metastabilní tetragonální fáze, pak aplikované napětí zvětšené o koncentrace stresu na špičce trhliny může způsobit převedení tetragonální fáze na monoklinickou s přidruženou objemovou expanzí. Tato fázová transformace pak může uvést trhlinu do stlačení, zpomalit její růst a posílit lomová houževnatost. Tento mechanismus je znám jako transformační zpevnění a významně prodlužuje spolehlivost a životnost výrobků vyrobených ze stabilizovaného oxidu zirkoničitého.[6][7]
ZrO2 mezera v pásmu je závislá na fázi (kubické, tetragonální, monoklinické nebo amorfní) a metodách přípravy, s typickými odhady od 5–7 eV.[8]
Zvláštní případ oxidu zirkoničitého je tetragonální polykrystal zirkoničitý nebo TZP, což svědčí o polykrystalickém oxidu zirkoničitém složeném pouze z metastabilní tetragonální fáze.
Použití
Hlavní použití oxidu zirkoničitého je při výrobě tvrdé keramiky, například ve stomatologii,[9] s jiným použitím, včetně jako ochranný povlak na částice oxid titaničitý pigmenty,[2] jako žáruvzdorný materiál, v izolace, brusiva a emaily. Stabilizovaný oxid zirkoničitý se používá v kyslíkové senzory a palivový článek membrány, protože má schopnost dovolit kyslík ionty volně se pohybovat krystalovou strukturou při vysokých teplotách. Tak vysoko iontová vodivost (a nízká elektronická vodivost) je jedním z nejužitečnějších elektrokeramika.[2] Oxid zirkoničitý se také používá jako pevný elektrolyt v elektrochromní zařízení.
Oxid zirkoničitý je předchůdcem elektrokeramiky olovo zirkoničitan titaničitý (PZT), což je dielektrikum s vysokým K, které se nachází v nesčetných součástech.
Niche používá
Velmi nízká tepelná vodivost z kubická fáze oxidu zirkoničitého také vedlo k jeho použití jako povlak tepelné bariéry nebo TBC v proud a vznětové motory umožnit provoz při vyšších teplotách.[10] Termodynamicky, čím vyšší je provozní teplota motoru, tím větší je možná účinnost. Další použití s nízkou tepelnou vodivostí je izolace z keramických vláken pro pece pro růst krystalů, izolace zásobníku palivových článků a infračervené topné systémy.
Tento materiál se také používá ve stomatologii při výrobě 1) pomocných rámů pro konstrukci zubní náhrady jako korun a mosty, které jsou pak dýhovány konvenčními živý porcelán z estetických důvodů nebo 2) silné, extrémně odolné zubní náhrady vyrobené zcela z monolitického oxidu zirkoničitého s omezenou, ale neustále se zlepšující estetikou.[11] Oxid zirkoničitý stabilizovaný yttria (oxid yttritý), známý jako ytriom stabilizovaný zirkon, lze použít jako silný základní materiál v některých plně keramických korunkových náhradách.[12]
Transformační tvrzený oxid zirkoničitý se používá k výrobě keramických nožů. Kvůli tvrdosti zůstávají příbory s keramickými okraji ostré déle než výrobky s ocelovými hranami.[13]
Díky své netavitelnosti a brilantní svítivosti, když žárovka, byl používán jako přísada tyčinek pro záře reflektorů.[Citace je zapotřebí ]
Zirkonium bylo navrženo elektrolyzovat kysličník uhelnatý a kyslík z atmosféra Marsu poskytnout jak palivo, tak okysličovadlo, které lze použít jako sklad chemické energie pro povrchovou dopravu na Marsu. Oxid uhelnatý / kyslík motory byly navrženy pro časné povrchové transportní použití, protože kysličník uhelnatý i kyslík lze přímo vyrábět elektrolýzou zirkonia, aniž by bylo nutné využívat některý z marťanských vodních zdrojů k získání vodíku, který by byl potřebný pro výrobu metanu nebo jakýchkoli paliv na bázi vodíku .[14]
Oxid zirkoničitý lze použít jako fotokatalyzátor [15] protože je vysoká mezera v pásmu (~ 5 eV)[16] umožňuje generování vysokoenergetických elektronů a děr. Některé studie prokázaly aktivitu dopovaného oxidu zirkoničitého (za účelem zvýšení absorpce viditelného světla) v degradujících organických sloučeninách [17][18] a snižování Cr (VI) z odpadních vod.[19]
Zirkon je také potenciál high-k dielektrikum materiál s potenciálními aplikacemi jako izolátor ve Windows tranzistory.
Zirkoničitý se také používá při depozici optické povlaky; je to materiál s vysokým indexem použitelný z téměř UV do střední IR, kvůli jeho nízké absorpci v této spektrální oblasti. V takových aplikacích je obvykle uložen PVD.[20]
Při výrobě šperků jsou některé pouzdra hodinek inzerovány jako „černý oxid zirkoničitý“.[21] V roce 2015 společnost Omega vydala plně ZrO2 hodinky s názvem „The Dark Side of The Moon“ [22] s keramickým pouzdrem, lunetou, tlačidly a sponou, což je reklama čtyřikrát tvrdší než nerezová ocel, a proto je mnohem odolnější proti poškrábání při každodenním používání.
Diamantový simulátor
Monokrystaly kubické fáze zirkonia se běžně používají jako diamantový simulátor v šperky. Stejně jako diamant má kubický zirkonium kubickou krystalovou strukturu a vysokou index lomu. Vizuálně rozeznat kvalitní kubický zirkonový drahokam od diamantu je obtížné a většina klenotníků bude mít tester tepelné vodivosti k identifikaci kubického zirkonu podle jeho nízké tepelná vodivost (diamant je velmi dobrý tepelný vodič). Tento stav oxidu zirkoničitého se běžně nazývá kubický zirkon, CZnebo zirkon podle klenotníci, ale příjmení není chemicky přesné. Zirkon je ve skutečnosti název minerálu pro přirozeně se vyskytující křemičitan zirkoničitý (ZrSiO4).
Viz také
- Kalení
- Slinování
- Hvězda typu S., vyzařující spektrální čáry zirkonia
- Yttria stabilizovaný zirkon
Reference
- ^ 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). "Transparentní keramika: Zpracování, materiály a aplikace". Pokrok v chemii pevných látek. 41 (1): 20–54. doi:10.1016 / j.progsolidstchem.2012.12.002. ISSN 0079-6786.
- ^ A b C d Ralph Nielsen „Zirconium and Zirconium Compounds“ v Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002 / 14356007.a28_543
- ^ R. Stevens, 1986. Úvod do oxidu zirkoničitého. Publikace Magnesium Elektron č. 113
- ^ Greenwood, N. N .; & Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2. vyd.), Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4
- ^ Platt, P .; Frankel, P .; Gass, M .; Howells, R .; Preuss, M. (listopad 2014). „Analýza konečných prvků transformace tetragonální na monoklinickou fázi během oxidace slitin zirkonia“. Journal of Nuclear Materials. 454 (1–3): 290–297. doi:10.1016 / j.jnucmat.2014.08.020.
- ^ A b Evans, A.G .; Cannon, R.M. (1986). "Zpevnění křehkých pevných látek martenzitickými transformacemi". Acta Metall. 34: 761. doi:10.1016/0001-6160(86)90052-0.
- ^ Porter, D.L .; Evans, A.G .; Heuer, A.H. (1979). "Transformační zpřísnění v PSZ". Acta Metall. 27: 1649. doi:10.1016/0001-6160(79)90046-4.
- ^ Chang, Jane P .; You-Sheng Lin; Karen Chu (2001). "Rychlá tepelná chemická depozice par oxidu zirkoničitého pro aplikaci tranzistoru pole-oxid-polovodičové pole s tranzistorem". Journal of Vacuum Science and Technology B. 19 (5): 1782–1787. doi:10.1116/1.1396639.
- ^ Gambogi, Joseph. „USGS Minerals Information: Zirconium and Hafnium“. minerály.usgs.gov. Archivováno z původního dne 18. února 2018. Citováno 5. května 2018.
- ^ „Povlaky tepelné bariéry pro účinnější motory s plynovou turbínou“. studylib.net. Citováno 2018-08-06.
- ^ Papaspyridakos, Panos; Kunal Lal (2008). „Kompletní rehabilitace implantátu oblouku pomocí subtraktivního rychlého prototypování a porcelánu spojeného s protézou zirkonia: Klinická zpráva“. The Journal of Prothetic Dentistry. 100 (3): 165–172. doi:10.1016 / S0022-3913 (08) 00110-8. PMID 18762028.
- ^ Shen, James, ed. (2013). Pokročilá keramika pro stomatologii (1. vyd.). Amsterdam: Elsevier / BH. p. 271. ISBN 978-0123946195.
- ^ „Nejlepší keramické nože, příbory a kuchyňské nádobí - nože Kyocera“. kyoceraadvancedceramics.com. Archivovány od originál dne 21. prosince 2012. Citováno 5. května 2018.
- ^ 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.
- ^ Kohno, Yoshiumi; Tanaka, Tsunehiro; Funabiki, Takuzo; Yoshida, Satohiro (1998). "Identifikace a reaktivita povrchového meziproduktu při fotoredukci CO2 s H2 nad ZrO2". Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 94 (13): 1875–1880. doi:10.1039 / a801055b.
- ^ Gionco, Chiara; Paganini, Maria C .; Giamello, Elio; Burgess, Robertson; Di Valentin, Cristiana; Pacchioni, Gianfranco (15. ledna 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.
- ^ Yuan, Quan; Liu, Yang; Li, Le-Le; Li, Zhen-Xing; Fang, Chen-Jie; Duan, Wen-Tao; Li, Xing-Guo; Yan, Chun-Hua (srpen 2009). „Vysoce uspořádaný fotokatalyzátor mezoporézní titan – zirkoničitý pro aplikace při degradaci vývoje rhodaminu-B a vodíku“. Mikroporézní a mezoporézní materiály. 124 (1–3): 169–178. doi:10.1016 / j.micromeso.2009.05.006.
- ^ Bortot Coelho, Fabrício; Gionco, Chiara; Paganini, Maria; Calza, Paola; Magnacca, Giuliana (3. dubna 2019). „Řízení znečištění membrány při filtraci organických látek pomocí Ce-dopovaného zirkonia a viditelného světla“. Nanomateriály. 9 (4): 534. doi:10,3390 / nano9040534. PMID 30987140.
- ^ Bortot Coelho, Fabrício Eduardo; Candelario, Victor M .; Araújo, Estêvão Magno Rodrigues; Miranda, Tânia Lúcia Santos; Magnacca, Giuliana (18. dubna 2020). „Fotokatalytická redukce Cr (VI) v přítomnosti huminové kyseliny pomocí imobilizovaného Ce – ZrO2 ve viditelném světle“. Nanomateriály. 10 (4): 779. doi:10,3390 / nano10040779. ISSN 2079-4991. PMC 7221772. PMID 32325680.
- ^ "Oxid zirkoničitý Zr02 pro optický povlak". Materion. Archivovány od originál 20. října 2013. Citováno 30. dubna 2013.
- ^ „Omega koaxiální chronograf 44,25 mm“. Hodinky OMEGA. Archivováno z původního dne 26.03.2016. Citováno 2016-03-27.
- ^ „Speedmaster Moonwatch Dark Side Of The Moon | OMEGA®“. Omega. Archivováno z původního dne 2018-02-09. Citováno 2018-02-08.
Další čtení
- Green, D. J .; Hannink, R .; Swain, M. V. (1989). Transformační zpevňování keramiky. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.
- Heuer, A.H .; Hobbs, L.W., eds. (1981). Věda a technologie zirkonia. Pokroky v keramice. 3. Columbus, OH: Americká keramická společnost. p. 475.
- Claussen, N .; Rühle, M .; Heuer, A.H., eds. (1984). Proc. 2. mezinárodní konf. o vědě a technologii oxidu zirkoničitého. Pokroky v keramice. 11. Columbus, OH: Americká keramická společnost.