Er zijn niet veel mensen meer die de kennis hebben van zirkoon, een mineraal waaruit zirkonium wordt gewonnen. Toch is de grondstof die het oplevert voor industrieën zoals kerncentrales, machinebouw, chemische industrie, tandheelkunde en de geneeskunde in het algemeen onmisbaar. Zirkonium biedt voordelen zoals thermische stabiliteit, hoge dichtheid, hardheid (harder dan aluminiummetalen) en hoge drukbestendigheid. Nog een paar voordelen van zirkonium zijn de hoge geleidbaarheid van zuurstofionen en een hoog smeltpunt.
Toch ondergaat zirkonium ongewenste faseveranderingen, vooral bij hoge temperaturen. Daarom wordt magnesiumoxide gebruikt als stabilisator. Dit biedt een scala aan voordelen waar vrijwel elke industriesector van kan profiteren.
Wat is zirkonium?
Op het eerste gezicht is zirkonium een zilvergrijs metaal dat zeer rekbaar is en een ongelooflijke hittebestendigheid heeft. Het metaal heeft een hoge hittebestendigheid en smelt alleen bij temperaturen boven 1855 graden Celsius. Omdat zirkonium een waardevolle grondstof is voor de industrie, vraagt u zich misschien af hoe zeldzaam het wel moet zijn!
Nou, het wordt gewonnen uit zirkoon, een mineraal dat wijdverspreid voorkomt onder het zand van veel kustwateren. Merk op dat de mineraalafzettingen wijdverspreid over het aardoppervlak liggen in plaats van geconcentreerd. Het mineraal is vrij populair in China, Australië, Oekraïne, Indonesië en Zuid-Afrika.
Ontdekt in 1795 door Martin Klaproth, een Duitse chemicus, steeg het mineraal niet in de industriële toepassingen. De populariteit begon echter te stijgen toen in 1925 de eerste pure zirkonium (zonder andere elementen of stabilisatoren) werd geproduceerd. Het gebruik van het metaal nam een piek in de jaren 40 toen veel kerncentrales de thermische en chemische bestendigheid ervan ontdekten.
Waarvoor wordt zirkonium gebruikt?
Er wordt ongeveer 90% zirkonium gebruikt in kerncentrales Als bekleding in kernreactoren. Door zijn hoge smelt- en kookpunt is het bestand tegen extreme temperaturen. Bovendien reageert het nauwelijks op chemicaliën, omdat het geen neutronen absorbeert tijdens kernsplijtingsreacties. Dit maakt het een uitstekende bekleding voor splijtstofstaven en geschikt voor het omhullen van uraniumpellets.
Ondanks de enorme toepassing ervan in kernenergie, is zirkonium relevant voor vele industrieën, waaronder kunstmatige edelstenen, machinebouw, filamenten, tandheelkunde en de chemische industrie. De opmerkelijke weerstand van zirkonium tegen chemische reacties maakt het een belangrijke troef in deze laatste sector.
De veelzijdigheid van het metaal maakt het vatbaar voor chemische manipulatie om er het maximale uit te halen. Zo wordt zirkonium bijvoorbeeld gecombineerd met zuurstof om zirkoniumoxide of zirkonia te verkrijgen. Dat laatste biedt een overvloed aan industriële toepassingen die de moeite waard zijn om in te investeren.
Zirkonia in een oogopslag
Zirkonia komt van nature voor, maar kan ook synthetisch worden geproduceerd door derivaat van zirkoon of zirkoonsilicaat (ZrSiO4). Als een van de belangrijkste oxiden afgeleid van zirkoon, wordt zirkonia gebruikt voor veel industriële toepassingen, zoals de tandheelkunde.
Zirkonia in de tandheelkunde
Door de jaren heen hebben tandartsen geprobeerd manieren te vinden om de glimlach en mondgezondheid te verbeteren. En hoewel sommige tanden, gebroken en versleten, mogelijk niet geremineraliseerd kunnen worden, kiezen patiënten voor metalen of porseleinen vullingen. Met de doorbraak van zirkoniumkronen kiezen mensen nu voor kronen die hun glimlach meer dan twintig jaar lang mooi houden.
Als u kampt met zwakke en misvormde tanden, kunnen zirkoniakronen u jarenlang helpen bij het kauwen op hard voedsel en het verdragen van alle druk. Hoewel keramische zirkoniakronen een nieuwe trend zijn, geven veel mensen de voorkeur aan porselein voor hun voortanden. Het belangrijkste probleem hierbij is dat zirkoniakronen voor voortanden niet bij de andere tanden passen.
A Onderzoek uit 2016 naar de veiligheid van zirkoniakronen De biocompatibiliteit van het lichaam is vastgesteld. Dit betekent dat de kronen het lichaam niet aanzetten tot reacties zoals ontstekingen. De biocompatibiliteit, gecombineerd met de hoge mechanische sterkte, maakt zirkoniumdioxide nuttig bij botregeneratie.
Magnesia gestabiliseerd zirkonia (MgO-ZrO2)
Hoewel zuiver zirkoniumdioxide in veel industrieën een doorbraak betekent, blijft het na het sinteren niet stabiel bij verhoogde temperaturen. Omdat het een tetragonale monokliene faseovergang ondergaat, verliest het zijn stabiliteit en verandert het volume bij afkoeling. Daarom wordt het gestabiliseerd met metaaloxiden zoals magnesiumoxide, die het een tetragonale fase geven bij verhoogde temperaturen. Magnesia-gestabiliseerd zirkoniumoxide (MSZ) heeft dus superieure mechanische eigenschappen.
MSZ's weerstand tegen faseovergangen maakt het corrosiebestendig. Omdat het biocompatibel is, is MSZ veilig voor gebruik in de orthopedie en tandheelkunde.
De veerkracht van met magnesia gestabiliseerd zirkoniumoxide tegen faseovergangen zorgt ervoor dat het zijn mechanische eigenschappen en hoge thermische weerstand behoudt, zoals vereist in keramiek. Andere materialen zijn gevoelig voor thermische uitzetting, slijtage, chemische corrosie en faseovergangen. MSZ vormt daarom een efficiënte coating voor uitlaatsystemen, ovenbekledingen en gasturbines.
Hoe wordt met magnesia gestabiliseerd zirkonia gebruikt in keramiek?
-
Geneeskunde: MSZ is een vast biocompatibel materiaal dat gebruikt kan worden om zwakke en versleten tanden, protheses en versleten gewrichten te versterken.
-
Machinebouw: De hoge slijtvastheid van MSZ maakt het materiaal bij uitstek geschikt voor de productie van snijgereedschappen en niet-slijtagedelen.
-
Thermisch bestendige materialen: Deze materialen kunnen worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en kernenergie, waar hoge energie en temperaturen vrijkomen. Ze zijn ook nuttig bij de productie van ovenbekleding en turbinebladen.
-
Elektriciteit: MSZ-keramiek wordt gebruikt voor de productie van isolatoren, omdat het een slechte elektrische geleidbaarheid, thermische stabiliteit en ongelooflijke diëlektrische sterkte heeft.
Eigenschappen van met magnesia gestabiliseerd zirkonia
Mechanische eigenschappen
-
Kleur: Geel
-
Dichtheid: 5,7 g/cm3
-
Druksterkte: 2500 MPa
-
Elasticiteitsmodulus: 250 GPa
-
Weber's coëfficiënt: 12M
-
Vickers-hardheid: 1100 HV0.5
Elektrische eigenschappen
-
Diëlektrische constante: 28εr
-
Diëlektrische sterkte: 13 x 105 V/m
Thermische eigenschappen
-
Thermische geleidbaarheid: 3 W/m·K
-
Maximale bedrijfstemperatuur: 2100℃
Conclusie
Magnesia-gestabiliseerd zirkoniumoxide is een waardevolle grondstof voor de keramische industrie die waarschijnlijk niet meer weg te denken is. Vanwege de corrosie- en temperatuurbestendigheid zou het materiaal nog jaren gewild kunnen blijven, vooral in gestabiliseerde vorm. Vanwege de brede beschikbaarheid op het aardoppervlak hebben bedrijven geen moeite om het in de juiste hoeveelheid te winnen.