次のような先進材料に興味がありますか？ 酸化ジルコニウム? 酸化ジルコニウムは、耐久性、耐腐食性、熱安定性に優れた広く使用されているセラミック材料です。
調査によると、 ジルコニアの市場価値 2023年には57億米ドルに迫り、2030年までに90.3億米ドルに達すると予想されています。これは、ジルコニアの開発見通しが非常に良好であることを示しています。
以下の記事を読んでいただくと、より包括的な理解が得られます。 酸化ジルコニウム .
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長いテキストを読む時間がない場合は、ユーザーからよく寄せられる質問をいくつか用意しておりますので、お役に立てるかもしれません。
酸化ジルコニウムとは何ですか？
酸化ジルコニウム（ジルコニア） 化学式ZrO2で表されるジルコニウム酸化物は、白色結晶です。広く使用されているセラミック材料であるため、「セラミック鋼」として知られています。 酸化ジルコニウム ジルコンは、天然鉱物バデレイトとして初めて発見されました。もちろん、化学的手法でジルコンから抽出することも可能です。天然 酸化ジルコニウム 純度が非常に低く、多くの不純物が含まれていることが多い。人工合成によって 酸化ジルコニウムより純度の高い酸化ジルコニウムを得ることができます。
酸化ジルコニウムの結晶構造
ジルコニアは非常にユニークな結晶構造を持ち、異なる温度で 3 つの主要な結晶相を呈します。
- 室温から1170℃までは、ジルコニアは単斜晶系です。
室温では、酸化ジルコニウムは通常、最も安定した単斜晶系です。単斜晶系は非対称の結晶構造であるため、高い耐亀裂性と断熱性能が求められる用途に非常に適しています。しかしながら、単斜晶系は熱膨張が異方性であるため、一部の用途では性能が低下する可能性があります。
- 1170℃から2370℃では、ジルコニアは正方晶相を示します。
温度が上昇し、1170℃を超えると、酸化ジルコニウムは単斜晶相から正方晶構造へと転移します。この構造は対称性が向上しますが、構造の体積が減少するため、注意しないと応力によって割れやすくなります。しかし、酸化イットリウムなどのドーパントを添加することで正方晶相を安定化させることができ、冷却後に単斜晶相に戻るのを効果的に防ぐことができます。これにより、室温でも正方晶相特有の機械的特性を十分に発揮することが可能になります。
- 2370℃以上から融点までは、ジルコニアは立方晶相を示します。
酸化ジルコニウムを2370℃以上に加熱すると、立方晶相を呈します。この構造は高い対称性を有し、固体酸化物燃料電池（SOFC）などの高温用途に特に適しています。
拡張読書: キュービックジルコニアとは何ですか？
より安定した性能を得るために、現代の産業界では、ジルコニアの結晶構造を安定化させるために、イットリウム酸化物（Y2O3）などの安定剤が添加されることがよくあります。この安定化ジルコニアは、優れた機械的特性と熱安定性を備えており、特にイットリウム安定化ジルコニア（YSZ）は、最も広く使用されている市販のジルコニア材料の一つとなっています。
ジルコニアの種類とグレード
酸化ジルコニウムにはさまざまな種類がありますが、それぞれの種類の独自の利点について説明します。
|
タイプ |
安定剤 |
破壊靭性(MPa·m/2) |
硬度(GPa) |
圧縮強度(MPa) |
熱膨張係数 (×10-6/K) |
適用温度（℃） |
|
イットリウム安定化ジルコニア（YSZ） |
3-8mol%Y2O3 |
8-10 |
12-13 |
1200-1300
|
10.5-11.0 |
1000-1200 |
|
マグネシウム安定化ジルコニア（Mg-PSZ） |
8-10モル%MgO |
12-15 |
11-12 |
1000-1200 |
9.0-10.0 |
1200-1400 |
|
カルシウム安定化ジルコニア（Ca-PSZ） |
1-3mol%CaO |
5-8 |
10-11 |
800-1000 |
9.5-10.5 |
1200-1400 |
|
セリウム安定化ジルコニア（Ce-PSZ） |
8-16mol%CeO2 |
10-14 |
12-13 |
1200-1400 |
10.0-10.5 |
1000-1200 |
|
ジルコニア強化アルミナ（ZTA） |
10-30%ZrO2 |
4-6 |
16-18 |
2000-2500 |
8.0-8.5 |
800-1000 |
イットリウム安定化ジルコニア（YSZ）
これは最も一般的な市販のジルコニア材料であり、通常、3～8 mol/L TP/3Tのイットリウム酸化物を添加することで安定化されます。イットリウム安定化ジルコニア（YSZ）の機械的強度は1200 MPaに達し、破壊靭性は8～10 MPa·m/2です。高精度歯科修復物、工業用精密部品、高温センサー部品などの製造に使用できます。
拡張読書: イットリア安定化ジルコニア
マグネシウム安定化ジルコニア（Mg-PSZ）
より高い靭性が求められる用途には、マグネシウム安定化ジルコニア（Mg-PSZ）が適しています。Mg-PSZは通常、8～10モル％の酸化マグネシウムで安定化されており、優れた耐熱衝撃性と高い破壊靭性（15MPa・m1/2）を備えています。耐火材料、高温バルブ部品、研磨ボール、研磨媒体などにご使用いただけます。
ジルコニア強化アルミナ（ZTA）
ZTAは、2種類のセラミック材料の利点を組み合わせた複合材料です。10-30%の酸化ジルコニウム粒子を含み、最大18GPaの硬度を誇り、靭性も大幅に向上しています。高性能切削工具、バイオメディカルインプラント、耐摩耗部品など、様々な用途に適しています。
カルシア安定化酸化ジルコニウム
ジルコニアに少量の酸化カルシウムを添加すると、正方晶系または立方晶系ジルコニアを部分的または完全に安定化させ、高温衝撃に対する耐性を向上させることができます。強度と靭性は酸化セリウムやイットリア安定化ジルコニアに劣りますが、優れた耐熱衝撃性を有しており、高温窯のライニングや耐火物用途によく使用されます。
セリア安定化ジルコニア
酸化セリウムを添加することで、ジルコニアの結晶相転移を効果的に抑制し、ジルコニアの靭性と安定性を向上させることができます。ジルコニア安定化ジルコニアと比較して、酸化セリウムは正方晶および立方晶ジルコニアを安定化させる能力がより強力です。酸化セリウム安定化ジルコニアは非常に高い靭性を有するため、「転移強化セラミックス」と呼ばれています。ひび割れが拡大する際に、結晶相の正方晶転移によりひび割れのエネルギーを吸収し、ひび割れの拡大を抑制します。
セリア安定化ジルコニアは高温でも高い酸素イオン伝導性を示し、固体酸化物燃料電池 (SOFC) の分野で非常に重要な役割を果たします。
ジルコニアの特性
最も一般的な先進セラミック材料の一つである酸化ジルコニウムのどのような特性を最も知りたいですか？以下では、酸化ジルコニウムの様々な特性について詳しく説明します。
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特性 |
価値 |
|
密度 |
6.05 g/cm³ |
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融点 |
2370℃ |
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熱伝導率 |
2～3 W/m·K |
|
硬度 |
13GPa |
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曲げ強度 |
1200 MPa |
|
破壊靭性 |
8 MPa·m 1/2 |
|
熱膨張 |
10.5 × 10 -6 /K |
|
誘電率 |
25（1MHz時） |
|
体積抵抗率 |
10 10 Ω·cm |
|
化学的安定性 |
素晴らしい |
|
生体適合性 |
良い |
機械的特性
酸化ジルコニウムは非常に優れた機械的特性を有しています。硬度は13GPaに達し、曲げ強度は1200MPa、破壊靭性は8MPa·m1/2に達します。これらの優れた機械的特性により、酸化ジルコニウムは極めて高い耐摩耗性と耐破壊性を有し、一部の高強度用途に使用することができます。
物理的特性
高い物理的特性が求められる用途であれば、酸化ジルコニウムはご期待に沿うでしょう。酸化ジルコニウムの基本的な物理的特性は以下の通りです。
密度: 6.05 g/cm³
融点：2370℃
熱伝導率：2～3 W/m·K
これらの特性により、酸化ジルコニウムは一部の高温精密工学に適したものになります。
耐腐食性と生体適合性
酸化ジルコニウムは優れた耐食性と極めて高い化学的安定性を有し、生体適合性も良好です。インプラントとして使用すると、人体におけるアレルギー反応率を低減できるため、医療用インプラントや化学機器に多く使用されています。
ジルコニアの応用
歯科におけるジルコニアの応用
なぜ多くの歯科医が酸化ジルコニウムを材料として選ぶのか、ご存知ですか？ジルコニアは過去20年間で歯科修復の分野に革命をもたらしました。
ジルコニアクラウンとブリッジ
ジルコニアはクラウンやブリッジに使用でき、オールセラミックジルコニアとレイヤードジルコニアに分けられます。
オールセラミックジルコニア：オールセラミックジルコニアは、最大1200MPaの強度を実現し、金属を一切使用していないためアレルギーのリスクを軽減し、見た目にも自然な審美効果をもたらします。15年以上安心してご使用いただけます。
レイヤードジルコニア：より審美的な効果を求めるなら、レイヤードジルコニアが最適です。内側の層がしっかりとしたサポートを提供し、外側のポーセレン層が自然で美しい歯を実現します。さらに、色や透明度をカスタマイズできるため、より天然歯に近い視覚効果を実現できます。
従来の素材と比較したジルコニアの利点：金属ポーセレンクラウン（PFM）と比較して、ジルコニアは歯肉縁に黒い線が残らないため、審美性に優れています。また、ジルコニアは生体適合性に優れているため、金属アレルギーのリスクを大幅に軽減し、従来の金属よりも強度に優れています。
歯科インプラント
酸化ジルコニウムはインプラントとして大きな利点があり、次のような効果をもたらします。
- より優れた生体適合性
- 軟部組織にフィット
- 細菌付着の可能性を減らすことができます
- より自然な美的効果
チタンインプラントと比較した酸化ジルコニウムの利点:
従来のチタンインプラントと比較すると、酸化ジルコニウムインプラントはアレルギーのリスクが低く、骨結合率も近いため、炎症のトラブルを軽減できます。
臨床データによれば、酸化ジルコニウムインプラントの成功率は95%を超え、耐用年数は20年以上安定しており、インプラント後の骨結合は安定しており、合併症の発生率も低いことが示されています。
ジルコニアの産業用途
酸化ジルコニウムがなぜ業界で「スーパーマテリアル」と呼ばれているかご存知ですか？その多様な用途を理解すれば、この称号にふさわしいことがお分かりいただけるでしょう。
耐火物および高温用途
ジルコニアは、様々な極高温環境において優れた性能を発揮します。1000～2000℃の連続高温に耐えることができます。同時に、優れた耐熱衝撃性を備えており、250℃の急激な温度変化にも安定した状態を保ちます。
高温炉のライニングに使用すると、機器の寿命を大幅に延ばすことができます。ガラス業界では、ジルコニアは溶解タンクやガイドとしても使用できます。冶金業界では、ゲートシステムのキー部品としても使用されます。
切断工具とナイフ
酸化ジルコニウムは非常に硬く、靭性も高いため、切削工具やナイフなどに利用されます。
極めて精密な酸化ジルコニウムナイフはサブミクロンの切断精度を実現でき、カーボンファイバーやセラミックなどの加工が難しい材料の精密加工に適しています。
通常の酸化ジルコニウムのナイフでも、従来の金属より何倍も長い耐用年数があり、錆びず、無毒なので、食品の安全性を確保します。
拡張読書: セラミックナイフの総合ガイド
精密ベアリングとバルブ
精密機械の分野でもジルコニアは極めて重要です。
ベアリングとして使用する場合、ジルコニアの耐用年数は従来のスチールベアリングの5～10倍長く、ジルコニアの自己潤滑性により潤滑油の使用量を削減できます。
最も重要なことは、ジルコニアの最大圧力が 2000 MPa に達し、過酷な環境でも動作できることです。
バルブとして、化学薬品や石油などの一部の腐食環境において、ジルコニアは優れたシール性能を発揮し、漏れ率はほぼゼロです。
拡張読書: ジルコニアベアリングとスチールベアリング
実験装置
なぜ研究室では酸化ジルコニウムが欠かせないのでしょうか？その答えは、読み進めていただければわかります。
- るつぼに作られた酸化ジルコニウムは、極端な温度と腐食環境に耐えることができます。
- 粉砕媒体にすることで、より高い純度を確保し、サンプルの汚染を防ぐことができます。
- 実験容器に作られており、化学的不活性度が高く、試薬と反応しません。
- 試験装置の部品にすることで精度が向上し、データの信頼性が向上します。
- また、酸化ジルコニウム製品は耐用年数が非常に長く、コスト効率に優れています。
燃料電池とセンサー
新エネルギー分野においても、酸化ジルコニウムは重要な役割を果たしています。固体酸化物燃料電池のコア電解質材料として、優れたイオン伝導性と高いエネルギー変換効率を有しています。また、酸素センサーの主要機能材料として、自動車排ガス検知にも活用されています。さらに、800℃の高温下でも安定して動作する高温ガスセンサーとしても注目されています。
特定の分野では、酸化ジルコニウムの耐用年数は 50,000 時間以上に達することがあります。
拡張読書: ジルコニアセラミックの用途
ジルコニアの製造工程
では、ジルコニアはどのように製造されるのでしょうか？この高度な製造工程を詳しく見てみましょう。
原材料の抽出と加工
ジルコン鉱石を得るには、原料を加工する必要があります。ジルコン鉱石は機械破砕機で細かく砕かれ、その後、ジルコン鉱石と不純物の密度差を利用して、重力選別技術で不要な不純物を迅速に除去します。もちろん、一部の鉄鉱物不純物などの強磁性不純物も、ジルコンの弱い磁性を利用して除去できます。
化学分解
化学分解には、主に化学分解、熱分解、機械分解の3つのプロセスがあります。化学分解は主にジルコン鉱石をアルカリまたは酸と反応させ、ジルコン酸ナトリウムやジルコン酸アンモニウムなどの可溶性化合物に変換するプロセスです。熱分解は鉱物を高温で熱分解することで結晶構造を破壊し、精製を容易にします。機械分解は、ジルコンをボールミルで粉砕し、反応表面積を増やすプロセスです。
精製プロセス
精製プロセスは、溶解分離、化学沈殿、不純物除去に分けられます。分解したジルコニウム化合物は、水または酸性溶液に溶解して可溶性のジルコニウム塩を形成し、その後、沈殿剤（アンモニアやシュウ酸など）を加えてジルコニウム塩を沈殿させ、水酸化ジルコニウムやシュウ酸ジルコニウムなどの不溶性のジルコニウム化合物にします。最後に、イオン交換技術によって不純物をさらに除去します。
ジルコニア合成
酸化ジルコニウムの工業的合成方法は多数ありますが、主に以下の方法があります。
熱分解法：高温を利用してジルコニウム塩を酸化ジルコニウムに分解し、高密度粒子を形成します。
塩化物法：ジルコニウム鉱石を塩化ジルコニウムに変換し、それを熱分解して酸化ジルコニウムにする。この方法は純度が高いが、コストも高い。
炭化工程：ジルコニウム鉱石を炭素中で還元・分解し、その後酸化して酸化ジルコニウムを得る。
溶解プロセス：高温溶解法を用いて単結晶酸化ジルコニウムを合成する
ゾルゲル法：まず酸化ジルコニウムゲルを調製し、その後熱処理することでナノ粒子または薄膜を得る。この方法は主に高性能ナノ酸化ジルコニウムの製造に用いられる。
構造制御プロセス
ジルコニアの構造制御プロセスには、主に結晶相安定化処理、熱処理、表面改質などが含まれます。
1. ジルコニアには複数の結晶相があります。安定剤を添加することで結晶相を制御し、性能を向上させることができます。
Y2O3 の添加: 正方晶相と立方晶相を安定化させることで、ジルコニアの亀裂伝播抵抗を向上させることができます。
MgO の添加：耐熱衝撃性が向上します。
CaOの添加：高温用途に適しています
2. 熱処理工程では、より正確な温度制御により均一な粒径を確保できます。焼結時間を適切に制御すると、密度と機械的特性が向上します。焼結中に不活性ガスや還元ガスを添加すると、不純物の生成を効果的に低減できます。
3. ジルコニアの表面改質・加工は、主にジルコニア表面に保護層をコーティングすることで、耐摩耗性と化学的安定性を高めます。レーザー切断、CNC精密研削などの技術も活用することで、様々な複雑な形状や工業用セラミック部品を製造できます。
品質検査と管理
プロセスの最終段階は試験です。主な試験方法としては、XRF（蛍光X線分光法）による酸化ジルコニウムの化学純度の分析、XRD（X線回折法）による酸化ジルコニウムの結晶相分布の決定、ICP-MS（誘導結合プラズマ質量分析法）による微量不純物含有量の検出などがあります。
よくある質問
ジルコニアは何からできていますか？
ジルコニアは、化学式ZrO2で表される先進的なセラミック材料です。ジルコニアは主にジルコン鉱物から抽出され、その後、精密な化学処理によって形成されます。
この素材はセラミックの美しさと金属の強さを兼ね備えており、歯科用途に最適な素材です。
ジルコニアvsチタンインプラント？
歯科インプラントの分野では、酸化ジルコニウムとチタンにはそれぞれ独自の利点があります。酸化ジルコニウムは審美性に優れ、生体適合性にも優れています。インプラントとして酸化ジルコニウムを使用することでアレルギーのリスクを軽減でき、前歯部への使用に適しています。チタンインプラントは臨床経験が長く、コストも抑えられます。
ジルコニアクラウンの費用はいくらですか？
米国におけるジルコニアクラウンの市場価格は、一般的に$500～$1,200です。具体的な価格は多くの要因に左右されるため、専門機関の専門家にご相談されることをお勧めします。
ジルコニアクラウンは変色しますか？
ジルコニアクラウンは色調安定性に優れ、経年変化や変色も起こりませんのでご安心ください。ジルコニアはコーヒー、紅茶、赤ワインなどの食品着色料による変色にも強い素材です。しかし、常に口腔衛生には気を配る必要があります。クラウン周囲の天然歯と歯茎の健康を保つために、以下の点にご注意ください。
ジルコニアインプラントはどれくらい持続しますか？
臨床研究によると、ジルコニアインプラントの寿命は15～20年、あるいはそれ以上に達し、インプラント成功率は95%を超えています。口腔衛生に気を配り、定期的なケアとクリーニングを行うことで、インプラントを口腔内で長期的に安定させることができます。年に一度は専門家による検診を受けることをお勧めします。
ジルコニアvsポーセリンクラウン？
ジルコニアクラウンと従来のポーセレンクラウンは、材料構造、強度、審美性において大きな違いがあります。ポーセレンクラウンはセラミック素材で作られており、審美性に優れていますが、強度は比較的低く、硬い食べ物を食べると破損する可能性があります。一方、ジルコニアクラウンは、最大1200MPaの硬度を持つ新世代のセラミック素材で、通常のポーセレンクラウンの3～4倍の強度を誇ります。光透過率と審美性において、ジルコニアクラウンはポーセレンクラウンに匹敵します。同等でありながら、より耐久性に優れています。
ジルコニアは安全ですか？
ジルコニアは歯科分野において最も生体適合性の高い素材の一つです。安全性についてご心配いただく必要はありません。米国食品医薬品局（FDA）は、酸化ジルコニウムを医療用インプラントに承認しており、多数の臨床研究において、酸化ジルコニウムはアレルギー反応を引き起こしたり、人体に有害な物質を生成したりしないことが確認されています。また、酸化ジルコニウムの表面は滑らかで、食物や細菌が付着しにくいため、炎症のリスクを軽減できます。ジルコニアは酸化物であり、金属成分を含んでいません。金属アレルギーを引き起こしたり、口の中に金属のような味がしたりすることはありません。
ジルコニアクラウン vs PFM？
従来の金属ポーセレンクラウン（PFM）と比較して、ジルコニアには多くの利点があります。まず、ジルコニアは金属ではないため、金属アレルギーを起こさず、歯肉縁に黒い線が残る問題もありません。次に、ジルコニアはPFMよりも強度と耐久性に優れており、ポーセレンの剥離のリスクもありません。
審美性という点では、ジルコニアは天然歯の光透過率をより忠実に再現し、より優れた視覚効果をもたらします。ジルコニアは初期費用が高めですが、耐用年数が長く、審美効果も優れている点を考慮する必要があります。総合的に見て、ジルコニアはより費用対効果が高いと言えます。
安定化ジルコニアにはどのような種類がありますか?
- イットリア安定化ジルコニア: イットリアを添加すると室温での結晶立方構造を安定化することができ、市場で最も一般的なジルコニア材料の 1 つです。
- マグネシア安定化ジルコニア: 酸化マグネシウムで安定化されたジルコニアは、イットリア安定化ジルコニアよりも耐高温性に優れ、熱伝導率が低くなります。
- 酸化カルシウム安定化ジルコニア：酸化ジルコニウムで安定化されたジルコニアの融点は2700℃です。非常に一般的な耐火材料であり、コーティング材に広く使用されています。
- セリア安定化ジルコニア: セリア安定化ジルコニアは、耐湿性の点で酸化マグネシウムやイットリアよりも優れた選択肢であり、センサー、流体制御、ポンプの部品によく使用されます。
ジルコニアは高温でも使用できますか？
もちろん、ジルコニアは1400度以上の環境でも使用可能で、理論上は高温・低温環境でも良好な安定性を維持できますので、安心してご使用いただけます。
ジルコニアとアルミナではどちらが耐摩耗性に優れていますか?
アルミナとジルコニアはどちらも耐摩耗性に優れた素材ですが、性能には違いがあります。
アルミナは硬度が高く、研削砥石や耐摩耗コーティングなど、比較的硬く高温の環境に適しています。
ジルコニアはアルミナより硬度が若干劣りますが、靭性と耐衝撃性に優れ、耐久性もアルミナより優れているため、ベアリングや切削工具などの耐摩耗性が求められる用途に適しています。
酸化ジルコニウムはなぜ燃料電池に適しているのでしょうか?
安定化酸化ジルコニウムは高温でも高いイオン伝導性を持ち、SOFC用途に非常に適した材料であり、効率的なイオン輸送を実現できます。
要約する
高機能素材であるジルコニアは、私たちの生活のあらゆる場面で活用されています。この記事を読んで、ジルコニアへの理解が深まることを願っています。