Niewiele osób ma wiedzę na temat cyrkon, minerał, z którego pozyskuje się cyrkon. Jednak zasoby, jakie oferuje on branżom takim jak elektrownie jądrowe, inżynieria mechaniczna, przemysł chemiczny, stomatologia i medycyna, są niezbędne. Cyrkon oferuje takie zalety, jak stabilność termiczna, wysoka gęstość, twardość (twardsza niż aluminium) i odporność na wysokie ciśnienie. Do jego dodatkowych zalet należą wysoka przewodność jonów tlenu i wysoka temperatura topnienia.
Cyrkon ulega jednak niepożądanym przemianom fazowym, szczególnie w warunkach wysokich temperatur. Dlatego jako stabilizator stosuje się tlenek magnezu. Otwiera to szereg korzyści, z których może skorzystać praktycznie każdy sektor przemysłu.
Czym jest cyrkon?
Na pierwszy rzut oka cyrkon to srebrzystoszary metal o wysokiej ciągliwości i niesamowitej odporności na ciepło. Metal ten charakteryzuje się wytrzymałością termiczną i topi się dopiero w temperaturach przekraczających 1855 stopni Celsjusza. Będąc cennym surowcem przemysłowym, można się zastanawiać, jak rzadki musi być cyrkon!
Otóż, jest on pozyskiwany z cyrkonu, minerału powszechnie występującego pod piaskami wielu wód przybrzeżnych. Warto zauważyć, że złoża tego minerału są rozproszone na powierzchni ziemi, a nie skoncentrowane. Minerał ten jest dość popularny w Chinach, Australii, na Ukrainie, w Indonezji i Republice Południowej Afryki.
Odkryte w 1795 roku przez Martin KlaprothWedług niemieckiego chemika, minerał ten nie zyskał popularności w przemyśle. Jednak jego notowania zaczęły rosnąć, gdy w 1925 roku wyprodukowano pierwszy czysty cyrkon (bez innych pierwiastków i stabilizatorów). Zastosowanie tego metalu gwałtownie wzrosło w latach 40. XX wieku, kiedy wiele elektrowni jądrowych odkryło jego odporność termiczną i chemiczną.
Do czego stosuje się cyrkon?
W około 90% cyrkonu stosuje się elektrownie jądrowe Jako powłoka w reaktorach jądrowych. Jego wysokie temperatury topnienia i wrzenia sprawiają, że wytrzymuje ekstremalne warunki temperaturowe. Ponadto jest wysoce niereaktywny z chemikaliami, ponieważ nie pochłania neutronów podczas reakcji rozszczepienia jądrowego. Dzięki temu doskonale nadaje się jako powłoka dla prętów paliwowych i jako powłoka wokół peletów uranowych.
Pomimo ogromnego zastosowania w energetyce jądrowej, cyrkon jest istotny w wielu branżach, takich jak produkcja sztucznych kamieni szlachetnych, inżynieria mechaniczna, włókna, stomatologia i przemysł chemiczny. Wyjątkowa odporność cyrkonu na reakcje chemiczne czyni go ważnym atutem w tej ostatniej branży.
Wszechstronność tego metalu sprawia, że jest on podatny na manipulacje chemiczne, aby w pełni wykorzystać jego potencjał. Na przykład cyrkon łączy się z tlenem, aby uzyskać tlenek cyrkonu lub cyrkon. Ten ostatni oferuje mnóstwo zastosowań przemysłowych, w które warto zainwestować.
Cyrkonia w eleganckim wydaniu
Tlenek cyrkonu występuje naturalnie, ale można go również uzyskać syntetycznie, pozyskując go z cyrkonu lub krzemianu cyrkonu (ZrSiO4). Jako jeden z najważniejszych tlenków otrzymywanych z cyrkonu, tlenek cyrkonu znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, na przykład w stomatologii.
Cyrkonia w stomatologii
Przez lata dentyści próbowali znaleźć sposoby na poprawę uśmiechu i zdrowia jamy ustnej. I chociaż niektóre zęby, złamane i zużyte, mogą nie zostać zremineralizowane, pacjenci sięgają po metalowe lub porcelanowe wypełnienia. Wraz z przełomem w dziedzinie koron cyrkonowych, pacjenci coraz częściej sięgają po korony, które mogą przetrwać uśmiech przez ponad 2 dekady.
Jeśli zmagasz się ze słabymi i zdeformowanymi zębami, korony cyrkonowe mogą pozwolić Ci przetrwać lata żucia twardych pokarmów, jednocześnie wytrzymując nacisk. Chociaż korony cyrkonowe są nowym rozwiązaniem, wiele osób preferuje porcelanę w przypadku zębów przednich. Głównym problemem jest to, że korony cyrkonowe na zęby przednie nie pasują do pozostałych zębów.
A Badanie bezpieczeństwa koron cyrkonowych z 2016 r. Biokompatybilność z organizmem potwierdziła jego biozgodność. Oznacza to, że korony nie wywołują w organizmie reakcji takich jak stany zapalne. Biozgodność w połączeniu z wysoką wytrzymałością mechaniczną sprawia, że dwutlenek cyrkonu jest przydatny w regeneracji kości.
Tlenek cyrkonu stabilizowany magnezem (MgO-ZrO2)
Chociaż czysty dwutlenek cyrkonu stanowi przełom w wielu gałęziach przemysłu, nie zachowuje on stabilności w wysokich temperaturach po spiekaniu. Ponieważ przechodzi tetragonalną, jednoskośną przemianę fazową, traci stabilność, a jego objętość zmienia się podczas chłodzenia. Dlatego jest stabilizowany tlenkami metali, takimi jak tlenek magnezu, które nadają mu fazę tetragonalną w wysokich temperaturach. W związku z tym, tlenek cyrkonu stabilizowany magnezem (MSZ) charakteryzuje się lepszymi właściwościami mechanicznymi.
Odporność MSZ na przemiany fazowe sprawia, że jest on odporny na korozję. Dzięki biokompatybilności MSZ jest bezpieczny w stosowaniu w ortopedii i stomatologii.
Odporność cyrkonii stabilizowanej magnezem na przemiany fazowe pozwala jej zachować właściwości mechaniczne i wysoką odporność termiczną, niezbędną w ceramice. Inne materiały są podatne na rozszerzalność cieplną, zużycie, korozję chemiczną i przemiany fazowe. MSZ staje się zatem skuteczną powłoką dla układów wydechowych, wyściółek pieców i turbin gazowych.
W jaki sposób tlenek cyrkonu stabilizowany magnezem jest stosowany w ceramice?
-
Medycyna: MSZ to stały, biozgodny materiał, który można stosować w celu wzmocnienia słabych i zużytych zębów, protez i zużytych stawów.
-
Inżynieria mechaniczna: Wysoka odporność MSZ na zużycie sprawia, że materiał ten doskonale nadaje się do produkcji narzędzi skrawających i części nieodpornych na zużycie.
-
Materiały odporne na wysoką temperaturę: Takie materiały mogą być stosowane w przemyśle lotniczym i jądrowym, gdzie wytwarzana jest wysoka energia i temperatura. Są również przydatne do produkcji wyściółek pieców i łopatek turbin.
-
Elektryczność: Ze względu na słabą przewodność elektryczną, stabilność termiczną i niewiarygodną wytrzymałość dielektryczną ceramika MSZ jest wykorzystywana do produkcji izolatorów.
Właściwości cyrkonii stabilizowanej magnezem
Właściwości mechaniczne
-
Kolor: Żółty
-
Gęstość: 5,7 g/cm3
-
Wytrzymałość na ściskanie: 2500 MPa
-
Moduł sprężystości: 250 GPa
-
Współczynnik Webera: 12M
-
Twardość Vickersa: 1100 HV0,5
Właściwości elektryczne
-
Stała dielektryczna: 28εr
-
Wytrzymałość dielektryczna: 13 x 105 V/m
Właściwości termiczne
-
Przewodność cieplna: 3 W/m·K
-
Maksymalna temperatura pracy: 2100℃
Wniosek
Tlenek cyrkonu stabilizowany magnezem to cenny surowiec do produkcji ceramiki, który prawdopodobnie pozostanie z nami na dłużej. Ze względu na odporność na korozję i temperaturę, materiał ten może pozostać poszukiwany przez lata, zwłaszcza w formie stabilizowanej. Ze względu na jego powszechną dostępność na powierzchni Ziemi, firmy nie mają trudności z jego wydobyciem i to w odpowiedniej ilości.