Non molte persone sono rimaste con la conoscenza di zircone, un minerale da cui si estrae lo zirconio. Tuttavia, la risorsa che fornisce a settori come gli impianti nucleari, l'ingegneria meccanica, l'industria chimica, l'odontoiatria e la medicina in generale è indispensabile. Lo zirconio offre vantaggi come stabilità termica, elevata densità, durezza (più dura dei metalli di alluminio) e elevata resistenza alla pressione. Altri vantaggi dello zirconio sono l'elevata conduttività degli ioni di ossigeno e un elevato punto di fusione.
Tuttavia, lo zirconio subisce cambiamenti di fase indesiderati, soprattutto in condizioni di alta temperatura. Per questo motivo, l'ossido di magnesio viene utilizzato come stabilizzante. Questo apre una serie di vantaggi di cui quasi ogni settore industriale può beneficiare.
Che cos'è lo zirconio?
A prima vista, lo zirconio è un metallo grigio-argento altamente duttile e con un'incredibile resistenza al calore. Il metallo ha una buona resistenza al calore e fonde solo a temperature superiori a 1855 gradi Celsius. Essendo una preziosa risorsa industriale, ci si potrebbe chiedere quanto sia raro lo zirconio!
Beh, viene estratto dallo zircone, un minerale diffuso sotto la sabbia di molte acque costiere. Si noti che i giacimenti di minerali sono diffusi su tutta la superficie terrestre, piuttosto che concentrati. Il minerale è molto popolare in Cina, Australia, Ucraina, Indonesia e Sudafrica.
Essendo stato scoperto nel 1795 da Martin Klaproth, un chimico tedesco, il minerale non salì di livello nell'uso industriale. Tuttavia, le classifiche iniziarono a salire quando il primo zirconio puro (senza altri elementi o stabilizzanti) fu prodotto nel 1925. L'uso del metallo aumentò negli anni '40, quando molte centrali nucleari scoprirono la sua resistenza termica e chimica.
A cosa serve lo zirconio?
Circa 90% di zirconio vengono utilizzati in centrali nucleari Come rivestimento nei reattori nucleari. I suoi elevati punti di fusione e di ebollizione gli consentono di resistere a condizioni di temperatura estreme. Inoltre, è altamente non reattivo agli agenti chimici, poiché non assorbe neutroni durante le reazioni di fissione nucleare. Questo lo rende un eccellente rivestimento per le barre di combustibile e adatto anche per rivestire i pellet di uranio.
Nonostante il suo vasto utilizzo nell'energia nucleare, la rilevanza dello zirconio è trasversale a molti settori, tra cui quello delle pietre preziose artificiali, dell'ingegneria meccanica, dei filamenti, dell'odontoiatria e dell'industria chimica. La notevole resistenza dello zirconio alle reazioni chimiche lo rende una risorsa importante in quest'ultimo settore.
La versatilità del metallo lo rende preda di manipolazioni chimiche per sfruttarne al meglio le potenzialità. Ad esempio, lo zirconio viene combinato con l'ossigeno per ottenere l'ossido di zirconio o zirconia. Quest'ultima offre una miriade di applicazioni industriali in cui vale la pena investire.
Zirconia in un colpo d'occhio elegante
La zirconia è presente in natura, ma può anche essere prodotta sinteticamente per derivazione dallo zircone o dal silicato di zirconio (ZrSiO4). Essendo uno degli ossidi più importanti derivati dallo zircone, la zirconia trova impiego in numerose applicazioni industriali, come l'odontoiatria.
Zirconia in odontoiatria
Nel corso degli anni, i dentisti hanno cercato di trovare soluzioni per migliorare il sorriso e la salute orale. E mentre alcuni denti, rotti e usurati, potrebbero non essere rimineralizzati, i pazienti ricorrono a otturazioni in metallo o porcellana. Con l'avvento delle corone dentali in zirconia, le persone si stanno rivolgendo a corone che possono durare il loro sorriso per oltre 2 decenni.
Se hai problemi con denti deboli e deformi, le corone in zirconia potrebbero aiutarti a masticare cibi duri per anni, sopportando tutta la pressione esercitata. Sebbene le corone in zirconia-ceramica siano una nuova scelta, molte persone preferiscono la porcellana per i denti anteriori. La preoccupazione principale in questo caso è che le corone in zirconia per i denti anteriori non si adattino agli altri denti.
UN Studio del 2016 sulla sicurezza delle corone in zirconia al corpo ne ha stabilito la biocompatibilità. Ciò significa che le corone non innescano nell'organismo risposte o reazioni come infiammazioni. La sua biocompatibilità, unita all'elevata resistenza meccanica, rende il biossido di zirconio utile nella rigenerazione ossea.
Zirconia stabilizzata con magnesia (MgO-ZrO2)
Sebbene il biossido di zirconio puro rappresenti una svolta in molti settori, non riesce a rimanere stabile a temperature elevate dopo la sinterizzazione. Poiché subisce un cambiamento di fase monoclino tetragonale, perde stabilità e il suo volume varia durante il raffreddamento. Pertanto, viene stabilizzato con ossidi metallici come l'ossido di magnesio, che gli conferiscono una fase tetragonale a temperature elevate. Pertanto, la zirconia stabilizzata con magnesia (MSZ) presenta proprietà meccaniche superiori.
La resilienza dell'MSZ alla trasformazione di fase lo rende resistente alla corrosione. Essendo biocompatibile, l'MSZ è sicuro per l'uso in ortopedia e odontoiatria.
La resilienza della zirconia stabilizzata con magnesia contro la trasformazione di fase le consente di mantenere le sue proprietà meccaniche e l'elevata resistenza termica, caratteristiche richieste nella ceramica. Altri materiali sono soggetti a dilatazione termica, usura, corrosione chimica e trasformazione di fase. La zirconia stabilizzata con magnesia diventa quindi un rivestimento efficiente per sistemi di scarico, rivestimenti di forni e turbine a gas.
Come viene utilizzata la zirconia stabilizzata con magnesia nella ceramica?
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Medicina: MSZ è un materiale solido biocompatibile che può essere utilizzato per rinforzare denti deboli e usurati, protesi e articolazioni usurate.
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Ingegneria meccanica: l'elevata resistenza all'usura dell'MSZ lo rende ideale per la produzione di utensili da taglio e parti non resistenti.
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Materiali termoresistenti: questi materiali possono essere impiegati nell'industria aerospaziale e nucleare, dove si generano alte energie e temperature elevate. Sono utili anche per la realizzazione di rivestimenti per forni e pale di turbine.
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Elettricità: grazie alla scarsa conduttività elettrica, alla stabilità termica e all'incredibile rigidità dielettrica, la ceramica MSZ viene utilizzata per produrre isolanti.
Proprietà della zirconia stabilizzata con magnesia
Proprietà meccaniche
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Colore: Giallo
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Densità: 5,7 g/cm3
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Resistenza alla compressione: 2500 MPa
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Modulo elastico: 250 GPa
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Coefficiente di Weber: 12M
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Durezza Vickers: 1100 HV0.5
Proprietà elettriche
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Costante dielettrica: 28εr
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Rigidità dielettrica: 13 x 105 V/m
Proprietà termiche
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Conduttività termica: 3 W/m·K
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Temperatura massima di esercizio: 2100℃
Conclusione
La zirconia stabilizzata con magnesia rappresenta un prezioso contributo al settore della ceramica, destinato a durare nel tempo. Grazie alla sua resistenza alla corrosione e alle alte temperature, il materiale potrebbe rimanere ricercato per anni, soprattutto nella sua forma stabilizzata. Data la sua ampia disponibilità sulla superficie terrestre, le aziende non hanno difficoltà a estrarlo, e nelle giuste quantità.