Zirconium oxide (Zirconia)

Koostis / struktuur

Tsirkooniumi dioksiid, ZrO₂, on normaatemperatuuril monokliinse kristallstruktuuriga. Temperatuuridel üle  2370 °C on stabiilne kuubiline faas, vahemikus 1170 kuni 2370 °C tetragonaalne faas. Teiste oksiidide (MgO, Y₂O₃, CaO, Ce₂O₃) lisamisega saab kuubilist ja tertagonaalset faasi stabiliseerida ka toatemperatuuril.

Omadused

Läbipaistev (monokristallina) värvuseta materjal. Tihedus 5890 kg/m³ (monokliinsel faasil, varieerub mõneti stabiliseeritud faasidel). ZrO₂ sulab temperatuuril 2715 °C (2988 K). Tsirkooniumoksiid on keemiliselt inertne, kõva, suure purunemis- ja kulumiskindlusega. Kuubiline tsirkooniumoksiid on väikese soojusjuhtuvusega ja hea ioonse elektrilise juhtivusega materjal.

Saamine

Looduslikult esineb tsirkooniumoksiidi vaid haruldase mineraali baddeleiidina, tehnilisteks rakendusteks toodetakse teda tsirkooniumi sisaldavast mineraalist tsirkoonist (tsirkooniumsilikaat, ZrSiO₄), taandades seda söe ja rauaga. Faasikoostise stabiliseerimiseks lisatakse teisi oksiide. Vajaliku struktuuri ja omadustega materjali saamiseks on kasutusel paljud erinevad meetodid: pulbri isostaatiline pressimine tiheda struktuuriga keraamika saamiseks, monokristallide kasvatamine, sool-geel meetod (Zr-alkoksiidide hüdrolüüsil). Tsirkooniumdioksiidi õhukesi kilesid saab kasvatada aatomkihtsadestamise meetodil [4].

Rakendused

Tsirkooniumkeraamika on tänu materjali headele omadustele laialdaselt kasutatav erinevates rakendustes: nugade ja kääride lõiketeradena, ortopeediliste implantaatidena (puusaliigese proteesimisel), hambaproteesidena, pumpades keemiliselt agressiivsete ja abrasiivsete vedelike transportimiseks, sulametallidega kokku puutuvates seadmetes, soojuskaitsekatetena kõrgetele temperatuuridel töötavates mootorites, hapniku-sensorites, kütuseelementide ioonjuhtivate membraanidena.

Stabiliseeritud kuubilise faasi tehislikult kasvatatud monokristalle (Cubic Zirconia, CZ) kasutatakse nende suure murdumisnäitaja (2,14 … 2,20) tõttu teemandi (briljantide) imiteerimiseks.

Aatomkihtsadestatud tsirkooniumdioksiidi kilesid on uuritud seoses nende potentsiaalsete rakendustega elektroonilistes kiipides.

Näidised

E95.1. “Võltsbriljandid” – teemantlihviga [13.10.07] kuubilise tsirkooniumi kristallid.

E95.2. Tsirkooniumoksiidkeraamikast nuga (firma Kyocera). Kas tagasi kiviaega?

Demod, katsed

D95.1. “Läbipaistev” nuga. Noa E95.2 tera maksimaalne paksus on ca 1 mm. Sellele vaatamata kumab valgus temast läbi, kuna peeneteraline oksiidkeraamika vaid hajutab aga ei neela valgust.

D95.2. Keraamiline nuga lõikab paberit. Muidugi ei taheta siinkohal väita, et paber üks hirmus raskesti lõigatav materjal on*. Kui aga paberilehte noaga lõigata teda vaid ühest kohast näppude vahel hoides, siis on jõud, mida saame paberile rakendada, imepisikene. Sellele vaatamata saab keraamiline nuga E95.2 tänu oma vahedusele sellega hõlpsasti hakkama.

* Tuleb siiski märkida, et kuigi paber just raskesti lõigatav materjal ei ole (lõikamisel rakendatava jõu mõttes), kulutab ta tänu oma koostisesse harilikult kuuluvatele mineraalsetele täiteainetele lõiketera tublisti. Seetõttu on tsirkooniumoksiidkeraamikast lõiketerad tõepoolest leidnud kasutust suurtes kogustes paberi lõikamisel.

Viited:

1. Zirconium dioxide – Wikipedia [13.10.07]
2. Zirconium oxide, ZrO₂ – Accuratus [13.10.07]
3. Zirconia – Azom.com [13.10.07]
4. Jaan Aarik “Atomic layer deposition of titanium, zirconium and hafnium dioxides:
   growth mechanisms and properties of thin films”, Dissertationes Physicae Universitatis Tartuensis 49, 2007.

Koostas: JK