كل شيء عن سيراميك الزركونيا المستقر بأكسيد المغنيسيوم ولماذا أصبح من المفضلات الجديدة

لم يبق الكثير من الناس مع المعرفة الزركون، وهو معدن يُستخرج منه الزركونيوم. ومع ذلك، يُعدّ هذا المعدن موردًا لا غنى عنه لصناعات مثل المحطات النووية، والهندسة الميكانيكية، والصناعات الكيميائية، وطب الأسنان، والطب عمومًا. يتميز الزركونيوم بمزايا مثل الاستقرار الحراري، والكثافة العالية، والصلابة (أكثر صلابة من معادن الألومنيوم)، ومقاومة الضغط العالي. ومن مزايا الزركونيوم الأخرى التوصيلية العالية لأيونات الأكسجين ودرجة انصهاره العالية.

ومع ذلك، يتعرض الزركونيوم لتغيرات طورية غير مرغوب فيها، خاصةً في درجات الحرارة العالية. ولذلك، يُستخدم أكسيد المغنيسيوم كمُثبِّت. وهذا يُتيح مجموعةً من المزايا التي يُمكن أن يستفيد منها جميع قطاعات الصناعة تقريبًا.

ما هو الزركونيوم؟

للوهلة الأولى، الزركونيوم معدن فضي رمادي اللون، شديد اللدونة ومقاوم للحرارة بشكل مذهل. يتميز هذا المعدن بتحمله للحرارة، ولا ينصهر إلا عند درجات حرارة تتجاوز 1855 درجة مئوية. ولأنه مورد صناعي قيّم، قد تتساءل عن مدى ندرة الزركونيوم!

حسنًا، يُستخرج من الزركون، وهو معدن منتشر تحت رمال العديد من المياه الساحلية. تجدر الإشارة إلى أن رواسب هذا المعدن منتشرة على سطح الأرض وليست مركزة. يحظى هذا المعدن بشعبية كبيرة في الصين وأستراليا وأوكرانيا وإندونيسيا وجنوب أفريقيا.

وقد تم اكتشافه في عام 1795 من قبل مارتن كلابروث، وهو كيميائي ألماني، لم يرتقِ استخدام هذا المعدن إلى مستوى متقدم في الصناعة. ومع ذلك، بدأ استخدام الزركونيوم النقي (بدون عناصر أو مثبتات أخرى) في الارتفاع مع إنتاج أول زركونيوم نقي (خالٍ من العناصر أو المثبتات) عام ١٩٢٥. ارتفع استخدام المعدن بشكل حاد في أربعينيات القرن العشرين عندما اكتشفت العديد من محطات الطاقة النووية مقاومته الحرارية والكيميائية.

ما هي استخدامات الزركونيوم؟

يتم استخدام حوالي 90% من الزركونيوم في محطات الطاقة النووية ككسوة للمفاعلات النووية. درجات انصهاره وغليانه العالية تجعله يتحمل درجات الحرارة القصوى. علاوة على ذلك، يتميز بمقاومة عالية للمواد الكيميائية، إذ لا يمتص النيوترونات أثناء تفاعلات الانشطار النووي. هذا يجعله كسوة ممتازة لقضبان الوقود، ومناسبًا لتغليف حبيبات اليورانيوم.

على الرغم من استخدامه الواسع في الطاقة النووية، إلا أن أهمية الزركونيوم تمتد إلى العديد من الصناعات، بما في ذلك الأحجار الكريمة الاصطناعية، والهندسة الميكانيكية، والخيوط، وطب الأسنان، والصناعة الكيميائية. إن مقاومة الزركونيوم الملحوظة للتفاعلات الكيميائية تجعله موردًا رئيسيًا في هذه الصناعة.

إن تعدد استخدامات هذا المعدن يجعله عرضة للتلاعب الكيميائي لتحقيق أقصى استفادة منه. على سبيل المثال، يُمزج الزركونيوم مع الأكسجين للحصول على أكسيد الزركونيوم أو الزركونيا. ويُتيح هذا الأخير استخدامات صناعية واعدة تستحق الاستثمار.

نظرة عامة على الزركونيا

يتواجد الزركونيا طبيعيًا، ويمكن أيضًا إنتاجه صناعيًا عن طريق استخلاصه من الزركون أو سيليكات الزركونيوم (ZrSiO4). ونظرًا لكونه أحد أهم الأكاسيد المشتقة من الزركون، يُستخدم الزركونيا في العديد من الاستخدامات الصناعية، مثل طب الأسنان.

الزركونيا في طب الأسنان

على مر السنين، حاول أطباء الأسنان ابتكار طرق لتحسين الابتسامة وصحة الفم. وبينما قد لا تستعيد بعض الأسنان المكسورة والمهترئة معادنها، يلجأ المرضى إلى الحشوات المعدنية أو الخزفية. ومع التطور الهائل الذي شهدته تيجان الزركونيا، يتجه الناس إلى تيجان تدوم ابتسامتهم لأكثر من عقدين.

إذا كنت تعاني من ضعف أسنانك وتشوهها، فإن تيجان الزركونيا قد تساعدك على تحمل سنوات من مضغ الطعام الصلب مع كل الضغط الناتج عنه. في حين أن تيجان الزركونيا الخزفية تُعدّ خيارًا جديدًا، إلا أن الكثيرين يفضلون البورسلين للأسنان الأمامية. لكن المشكلة الرئيسية هنا هي أن تيجان الزركونيا للأسنان الأمامية لا تتناسب مع الأسنان الأخرى.

أ دراسة عام 2016 حول سلامة تيجان الزركونيا أثبت توافقه الحيوي مع الجسم. أي أن التيجان لا تُحفز الجسم على إنتاج استجابات أو ردود فعل كالالتهابات. إن توافقه الحيوي، إلى جانب قوته الميكانيكية العالية، يجعل ثاني أكسيد الزركونيوم مفيدًا في تجديد العظام.

زركونيا مثبتة بالمغنيسيا (MgO-ZrO2)

بينما يُحدث ثاني أكسيد الزركونيوم النقي نقلة نوعية في العديد من الصناعات، إلا أنه لا يحافظ على استقراره في درجات الحرارة المرتفعة بعد التلبيد. ولأنه يمر بتغير طوري أحادي الميل رباعي الزوايا، فإنه يفقد استقراره ويتغير حجمه مع تبريده. ولذلك، يُثبت بأكاسيد معدنية مثل أكسيد المغنيسيوم، مما يمنحه طورًا رباعي الزوايا في درجات الحرارة المرتفعة. وهكذا، يتميز الزركونيا المستقر بالمغنيسيوم (MSZ) بقدرات ميكانيكية فائقة.

مرونة MSZ ضد التحول الطوري تجعله مقاومًا للتآكل. ولأنه متوافق حيويًا، يُعد MSZ آمنًا للاستخدام في جراحة العظام وطب الأسنان.

تُساعد مرونة الزركونيا المُثبّتة بالمغنيسيا ضدّ التحوّل الطوري على الحفاظ على خصائصها الميكانيكية ومقاومتها الحرارية العالية، وهو أمرٌ ضروريٌّ في السيراميك. تُعدّ المواد الأخرى عُرضةً للتمدد الحراري، والتآكل، والتآكل الكيميائي، والتحوّل الطوري. لذا، يُصبح MSZ طلاءً فعّالاً لأنظمة العادم، وبطانات الأفران، والتوربينات الغازية.

كيف يتم استخدام الزركونيا المستقرة بالمغنيسيوم في السيراميك؟

1. الطب: MSZ عبارة عن مادة حيوية صلبة متوافقة يمكن استخدامها لتقوية الأسنان الضعيفة والمتهالكة والأطراف الصناعية والمفاصل البالية.

2. الهندسة الميكانيكية: تتمتع مادة MSZ بمقاومة عالية للتآكل والتلف مما يجعلها مثالية لتصنيع أدوات القطع والأجزاء غير المقاومة.

3. المواد المقاومة للحرارة: تُستخدم هذه المواد في صناعات الفضاء والطاقة النووية، حيث يتم توليد طاقة ودرجات حرارة عالية. كما تُستخدم في صناعة بطانات الأفران وشفرات التوربينات.

4. الكهرباء: بسبب ضعف التوصيل الكهربائي، والاستقرار الحراري، والقوة العازلة المذهلة، يتم استخدام سيراميك MSZ في تصنيع العوازل.

خصائص الزركونيا المستقرة بالمغنيسيا

الخصائص الميكانيكية

• اللون: أصفر

• الكثافة: 5.7 جم/سم3

• قوة الضغط: 2500 ميجا باسكال

• معامل المرونة: 250 جيجا باسكال

• معامل ويبر: 12M

• صلابة فيكرز: 1100 HV0.5

الخصائص الكهربائية

• ثابت العزل: 28εr

• القوة العازلة: 13 × 105 فولت/متر

الخصائص الحرارية

• الموصلية الحرارية: 3 وات/م·ك

• أقصى درجة حرارة تشغيل: 2100 درجة مئوية

خاتمة

الزركونيا المستقرة بالمغنيسيوم مادة قيّمة في مجال السيراميك، ومن المرجح أن تبقى كذلك. بفضل مقاومتها للتآكل ودرجات الحرارة، قد تبقى هذه المادة مطلوبة لسنوات، خاصةً في حالتها المستقرة. ونظرًا لتوفرها على نطاق واسع على سطح الأرض، لا تواجه الشركات صعوبة في استخراجها بالكمية المناسبة.