Вас интересуют современные материалы, такие как оксид циркония? оксид циркония — широко используемый керамический материал, обладающий превосходной прочностью, коррозионной стойкостью и термической стабильностью.
Согласно исследованиям, рыночная стоимость циркония в 2023 году приблизится к 5,7 млрд долларов США, а к 2030 году, как ожидается, достигнет 9,03 млрд долларов США. Это говорит о том, что цирконий имеет очень хорошие перспективы развития.
Прочитайте следующую статью, и у вас будет более полное представление о оксид циркония .
Быстрые ссылки
- Что такое оксид циркония?
- Кристаллическая структура оксида циркония
- Различные типы и марки циркония
- Характеристики циркония
- Применение циркония
- Процесс производства циркония
Если у вас нет времени читать много текста, мы подготовили несколько часто задаваемых вопросов пользователей, которые могут вам помочь!
Что такое оксид циркония?
Оксид циркония (цирконий) , с химической формулой ZrO2, представляет собой белый кристаллический оксид циркония. Как широко используемый керамический материал, он известен как «керамическая сталь». Оксид циркония впервые был обнаружен в виде природного минерала бадделеита. Конечно, мы также можем извлечь его из циркона химическими методами. Природный оксид циркония имеет очень низкую чистоту и часто содержит много примесей. Благодаря искусственному синтезу оксид циркония, мы можем получить оксид циркония более высокой чистоты.
Кристаллическая структура оксида циркония
Цирконий имеет уникальную кристаллическую структуру и при различных температурах образует три основные кристаллические фазы:
- При комнатной температуре до 1170°C цирконий является моноклинным:
При комнатной температуре оксид циркония обычно находится в моноклинной фазе, которая является наиболее стабильной формой. Моноклинная фаза представляет собой асимметричную кристаллическую структуру, которая очень удобна для некоторых применений, требующих высокой трещиностойкости и теплоизоляционных характеристик. Однако анизотропное тепловое расширение моноклинной фазы может привести к плохой производительности в некоторых применениях.
- При температуре от 1170°С до 2370°С цирконий представляет собой тетрагональную фазу:
По мере повышения температуры, когда она превышает 1170℃, оксид циркония преобразуется из моноклинной фазы в тетрагональную кристаллическую структуру. Эта структура будет иметь лучшую симметрию, но по мере уменьшения объема структуры она, скорее всего, растрескается из-за напряжения, если на это не обращать внимания. Однако тетрагональную фазу можно стабилизировать, добавив легирующие примеси, такие как оксид иттрия, которые могут эффективно предотвратить возврат материала в моноклинную фазу после охлаждения, и можно в полной мере использовать уникальные механические свойства тетрагональной фазы даже при комнатной температуре.
- Выше 2370°C и до точки плавления цирконий представляет собой кубическую фазу:
Если оксид циркония нагреть выше 2370°C, он представит кубическую кристаллическую фазу. Эта структура имеет высокую степень симметрии и особенно подходит для высокотемпературных применений, таких как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ).
Расширенное чтение: Что такое кубический цирконий?
Для получения более стабильных характеристик в современной промышленности обычно добавляют стабилизаторы, такие как оксид иттрия Y2O3, для стабилизации кристаллической структуры циркония. Этот стабилизированный цирконий имеет лучшие механические свойства и термическую стабильность, особенно стабилизированный иттрием цирконий (YSZ), который стал одним из наиболее широко используемых коммерческих циркониевых материалов.
Различные типы и марки циркония
Оксид циркония выпускается во многих различных видах. Позвольте мне рассказать вам об уникальных преимуществах каждого вида.
|
Тип |
Стабилизирующий агент |
Вязкость разрушения (МПа·м/2) |
Твердость (ГПа) |
Прочность на сжатие (МПа) |
Коэффициент теплового расширения (x10-6/К) |
Применимая температура (°C) |
|
Иттрий-стабилизированный цирконий (YSZ) |
3-8моль%Y2O3 |
8-10 |
12-13 |
1200-1300
|
10.5-11.0 |
1000-1200 |
|
Цирконий, стабилизированный магнием (Mg-PSZ) |
8-10моль%MgO |
12-15 |
11-12 |
1000-1200 |
9.0-10.0 |
1200-1400 |
|
Кальций-стабилизированный цирконий (Ca-PSZ) |
1-3mol%CaO |
5-8 |
10-11 |
800-1000 |
9.5-10.5 |
1200-1400 |
|
Цирконий стабилизированный церием (Ce-PSZ) |
8-16mol%CeO2 |
10-14 |
12-13 |
1200-1400 |
10.0-10.5 |
1000-1200 |
|
Циркониевый закаленный оксид алюминия (ZTA) |
10-30%ZrO2 |
4-6 |
16-18 |
2000-2500 |
8.0-8.5 |
800-1000 |
Иттрий-стабилизированный цирконий (YSZ)
Это наиболее распространенный коммерческий материал на основе циркония, обычно стабилизированный путем добавления 3-8 моль% оксида иттрия. Механическая прочность стабилизированного иттрием циркония (YSZ) достигает 1200 МПа, а вязкость разрушения составляет 8-10 МПа·м1/2. Вы можете использовать его для изготовления высокоточных стоматологических реставраций, промышленных прецизионных деталей, компонентов высокотемпературных датчиков и т. д.
Расширенное чтение: Цирконий, стабилизированный иттрием
Цирконий, стабилизированный магнием (Mg-PSZ)
Если для вашего применения требуется более высокая прочность, лучшим выбором будет стабилизированный магнием цирконий (Mg-PSZ). Mg-PSZ обычно стабилизируется 8-10 моль% оксидом магния, и он обладает превосходной стойкостью к тепловому удару и более высокой вязкостью разрушения (15 МПа· м1/2). Вы можете использовать его для огнеупорных материалов, деталей клапанов, работающих при высоких температурах, а также для мелющих шаров и мелющих тел.
Циркониевый закаленный оксид алюминия (ZTA)
ZTA — композитный материал, сочетающий в себе преимущества двух керамических материалов. Он содержит частицы оксида циркония 10-30%, имеет твердость до 18 ГПа, а его прочность значительно улучшена. Подходит для различных высокопроизводительных режущих инструментов, биомедицинских имплантатов и износостойких деталей.
Оксид циркония, стабилизированный кальцием
Добавление небольшого количества оксида кальция к цирконию может частично или полностью стабилизировать тетрагональный или кубический цирконий и улучшить его способность выдерживать высокотемпературный удар. Хотя он уступает оксиду церия и стабилизированному оксидом иттрия цирконию по прочности и вязкости, он обладает хорошей стойкостью к термическому удару и часто используется в футеровке высокотемпературных печей и огнеупорных изделиях.
Цирконий, стабилизированный церием
Добавление оксида церия может эффективно ингибировать кристаллическую фазовую трансформацию циркония и повышать прочность и стабильность циркония. По сравнению с цирконием, стабилизированным оксидом циркония, оксид церия обладает более сильной способностью стабилизировать тетрагональный и кубический цирконий. Цирконий, стабилизированный оксидом церия, имеет чрезвычайно высокую прочность, поэтому его называют «керамикой, упрочненной трансформацией». Когда трещины расширяются, тетрагональная трансформация кристаллической фазы может поглощать энергию трещин, тем самым препятствуя расширению трещин.
Цирконий, стабилизированный церием, демонстрирует высокую проводимость ионов кислорода при высоких температурах, что играет очень важную роль в области твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
Характеристики циркония
Как один из самых распространенных современных керамических материалов, какие свойства оксида циркония вы хотели бы знать больше всего? Ниже мы подробно объясним вам различные свойства оксида циркония.
|
Характеристика |
Ценить |
|
Плотность |
6,05 г/см³ |
|
Температура плавления |
2370°С |
|
Теплопроводность |
2-3 Вт/м·К |
|
Твёрдость |
13 ГПа |
|
Прочность на изгиб |
1200 МПа |
|
Вязкость разрушения |
8 МПа·м 1/2 |
|
Тепловое расширение |
10,5 × 10 -6 /К |
|
Диэлектрическая постоянная |
25 (на 1 МГц) |
|
Объемное сопротивление |
10 10 Ом·см |
|
Химическая стабильность |
Отличный |
|
Биосовместимость |
Хороший |
Механические свойства
Оксид циркония обладает очень сильными механическими свойствами. Его твердость может достигать 13 ГПа, прочность на изгиб достигает 1200 МПа, а вязкость разрушения составляет 8 МПа·м1/2. Эти превосходные механические свойства означают, что оксид циркония обладает сверхвысокой износостойкостью и сопротивлением разрушению, что позволяет использовать его в некоторых высокопрочных приложениях.
Физические свойства
Если для вашего применения требуются высокие физические свойства материала, то оксид циркония вас не разочарует. Основные физические свойства оксида циркония следующие:
Плотность: 6,05 г/см³
Температура плавления: 2370°C
Теплопроводность: 2-3 Вт/м·К
Эти свойства делают оксид циркония более подходящим для некоторых видов высокотемпературной точной техники.
Коррозионная стойкость и биосовместимость
Оксид циркония обладает превосходной коррозионной стойкостью и демонстрирует чрезвычайно высокую химическую стабильность. Он также обладает хорошей биосовместимостью. При использовании в качестве имплантата он может снизить уровень аллергии у человека. Вот почему его часто можно увидеть в медицинских имплантатах и химическом оборудовании.
Применение циркония
Применение циркония в стоматологии
Хотите узнать, почему большинство стоматологов выбирают оксид циркония в качестве материала? За последние 20 лет цирконий произвел революцию в области реставрации зубов.
Циркониевые коронки и мосты
Из циркония можно изготавливать коронки и мосты, а также его можно разделить на цельнокерамический цирконий и слоистый цирконий.
Цельнокерамический цирконий: Если вы выберете цельнокерамический цирконий, он может дать вам прочность до 1200 МПа, и он полностью не содержит металла, что снижает вероятность аллергии, и имеет естественный эстетический эффект зубов по внешнему виду. Вы можете быть уверены, что будете использовать его более 15 лет.
Многослойный цирконий: Если вы ищете лучшие эстетические эффекты, то многослойный цирконий — лучший выбор. Его внутренний слой может обеспечить надежную поддержку, в то время как внешний фарфоровый слой может дать вам естественные и красивые зубы. В то же время он также может настраивать цвет и прозрачность, что может создать оптический эффект, более близкий к естественным зубам.
Преимущества циркония по сравнению с традиционными материалами: По сравнению с металлокерамическими коронками (PFM) цирконий не оставляет черных линий на десневом крае, что обеспечивает лучший эстетический эффект. В то же время цирконий обладает лучшей биосовместимостью, что значительно снижает риск возникновения аллергии на металл, а также цирконий прочнее традиционных металлов.
Дентальные имплантаты
Оксид циркония имеет большие преимущества в качестве имплантата, он может принести вам:
- Более превосходная биосовместимость
- Больше подходит для мягких тканей
- Может снизить вероятность прикрепления бактерий
- Более естественный эстетический эффект
Преимущества оксида циркония по сравнению с титановыми имплантатами:
По сравнению с традиционными титановыми имплантатами имплантаты из оксида циркония имеют меньший риск возникновения аллергии и более схожую скорость сращивания с костной тканью, что может уменьшить проблему воспаления.
Клинические данные показывают, что показатель успешности имплантатов из оксида циркония превышает 95%, срок службы может быть стабильным более 20 лет, а соединение с костной тканью после имплантации стабильно, а частота осложнений ниже.
Промышленное применение циркония
Знаете ли вы, почему оксид циркония называют «суперматериалом» в промышленности? Если вы понимаете его различные применения, вы поймете, что это звание вполне заслужено!
Огнеупоры и высокотемпературные применения
Цирконий продемонстрировал превосходные характеристики в различных экстремально высокотемпературных средах. Он может выдерживать непрерывные высокие температуры 1000-2000°C. В то же время он имеет превосходные характеристики термоудара и остается стабильным даже при резком изменении температуры на 250°C.
При использовании его для футеровки высокотемпературных печей он может значительно продлить срок службы вашего оборудования; в стекольной промышленности цирконий также может использоваться в качестве плавильных ванн и направляющих; в металлургической промышленности он также используется в качестве ключа для деталей литниковых систем.
Режущие инструменты и ножи
Оксид циркония чрезвычайно твердый и обладает высокой прочностью, поэтому его можно использовать для изготовления режущих инструментов и ножей.
Чрезвычайно точные ножи из оксида циркония позволяют добиться субмикронной точности резки, что подходит для прецизионной обработки труднообрабатываемых материалов, таких как углеродное волокно и керамика.
Даже обычные ножи из оксида циркония имеют срок службы во много раз выше, чем у традиционных металлов, при этом они не ржавеют и нетоксичны, обеспечивая вам безопасность пищевых продуктов.
Расширенное чтение: Полное руководство по керамическим ножам
Прецизионные подшипники и клапаны
В области точного машиностроения цирконий также чрезвычайно важен.
Срок службы подшипника из циркония в 5–10 раз больше, чем у традиционных стальных подшипников, а самосмазывающиеся свойства циркония позволяют сократить использование смазочного масла.
Самое главное, что максимальное давление циркония может достигать 2000 МПа и он может работать в экстремальных условиях.
При использовании в качестве клапана в некоторых агрессивных средах, таких как химическая и нефтяная промышленность, цирконий демонстрирует превосходные уплотнительные свойства, а уровень утечки практически равен нулю.
Расширенное чтение: Циркониевые подшипники против стальных подшипников
Лабораторное оборудование
Почему лаборатории не могут обойтись без оксида циркония? Ответ вы получите, читая дальше.
- Оксид циркония, из которого изготовлены тигли, может выдерживать экстремальные температуры и агрессивные среды.
- При использовании в качестве измельчающего материала он может обеспечить более высокую чистоту и избежать загрязнения образца.
- При изготовлении лабораторных сосудов он обладает лучшей химической инертностью и не реагирует с реагентами.
- В составе компонентов испытательного оборудования он может повысить точность и сделать данные более надежными.
- Изделия из оксида циркония имеют очень долгий срок службы и весьма экономичны.
Топливные элементы и датчики
В области новой энергетики оксид циркония также играет ключевую роль. Это основной электролитный материал твердооксидных топливных элементов с превосходной ионной проводимостью и высокой эффективностью преобразования энергии. Это ключевой функциональный материал для датчиков кислорода, который может использоваться для обнаружения выхлопных газов автомобилей. Это высокотемпературный газовый датчик, который может стабильно работать даже при высокой температуре 800°C.
В некоторых областях срок службы оксида циркония может достигать более 50 000 часов.
Расширенное чтение: Применение циркониевой керамики
Процесс производства циркония
Так как же производится цирконий? Давайте подробнее рассмотрим этот сложный производственный процесс.
Добыча и переработка сырья
Сырье необходимо переработать для получения цирконовой руды. Цирконовая руда измельчается на мелкие частицы с помощью механического дробильного оборудования. Затем разница в плотности между цирконовой рудой и примесями используется для быстрого удаления нежелательных примесей с помощью технологии гравитационной сортировки. Конечно, сильные магнитные примеси, такие как некоторые железные минеральные примеси, также могут быть удалены с помощью слабого магнетизма циркона.
Химическое разложение
Существует три основных процесса химического разложения: химическое разложение, термическое разложение и механическое разложение. Химическое разложение в основном включает реакцию цирконовой руды со щелочью или кислотой, а затем преобразование ее в растворимые соединения, такие как цирконат натрия или цирконат аммония; термическое разложение заключается в термическом разложении минерала при высокой температуре для разрушения кристаллической структуры и облегчения очистки; механическое разложение заключается в измельчении циркона в шаровой мельнице для увеличения площади поверхности реакции.
Процесс очистки
Процесс очистки делится на разделение растворением, химическое осаждение и удаление примесей. Разложившееся соединение циркония необходимо растворить в воде или кислотном растворе для образования растворимой соли циркония, а затем добавить осадитель (такой как аммиак или щавелевая кислота) для осаждения соли циркония в нерастворимое соединение циркония, такое как гидроксид циркония или оксалат циркония. Наконец, примеси дополнительно удаляются с помощью технологии ионного обмена.
Синтез циркония
Существует множество промышленных методов синтеза оксида циркония, основными из которых являются следующие.
Метод пиролизной диссоциации: использование высокой температуры для разложения соли циркония в оксид циркония с образованием плотных частиц.
Хлоридный процесс: преобразование циркониевой руды в хлорид циркония и его пиролиз в оксид циркония; этот процесс обеспечивает высокую чистоту, но и стоимость его высока.
Процесс карбонизации: восстановление и разложение циркониевой руды в углероде, затем окисление для получения оксида циркония.
Процесс плавления: используется метод высокотемпературной плавки для синтеза монокристаллического оксида циркония.
Метод золь-гель: Сначала готовят гель оксида циркония, затем подвергают термической обработке для получения наночастиц или пленок. Этот метод в основном используется для производства высокопроизводительного нано оксида циркония.
Процесс структурного контроля
Процессы структурного контроля циркония в основном включают стабилизацию кристаллической фазы, термическую обработку, модификацию поверхности и т. д.
1. Цирконий имеет несколько кристаллических фаз. Добавление стабилизаторов может контролировать кристаллическую фазу и улучшать ее характеристики:
Добавление Y2O3: стабилизация тетрагональной и кубической фаз может улучшить устойчивость циркония к распространению трещин.
Добавление MgO: может улучшить устойчивость к тепловому удару.
Добавление CaO: более благоприятно для высокотемпературных применений.
2. В процессе термообработки более точный контроль температуры может обеспечить равномерный размер зерна; разумный контроль времени спекания благоприятно влияет на плотность и механические свойства; добавление инертного газа или восстановительного газа во время спекания может эффективно снизить образование примесей.
3. Поверхностная модификация и обработка циркония в основном заключается в нанесении защитного слоя на поверхность циркония, что может повысить его износостойкость и химическую стабильность. Лазерная резка, прецизионная шлифовка с ЧПУ и другие технологии также могут использоваться для изготовления различных сложных форм и промышленных керамических деталей.
Проверка и контроль качества
Заключительным этапом процесса является тестирование. Основные методы тестирования включают использование XRF (рентгеновской флуоресцентной спектроскопии) для анализа химической чистоты оксида циркония; использование XRD (рентгеновской дифракции) для определения распределения кристаллической фазы оксида циркония; использование ICP-MS (масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой) для обнаружения следов примесей и т. д.
Часто задаваемые вопросы
Из чего сделан цирконий?
Цирконий — это современный керамический материал с химической формулой ZrO2. Цирконий в основном извлекается из минералов циркония, а затем формируется путем точной химической обработки.
Этот материал сочетает в себе красоту керамики с прочностью металлов и является предпочтительным материалом для применения в стоматологии.
Циркониевые или титановые имплантаты?
В области зубных имплантатов оксид циркония и титан имеют свои преимущества. Оксид циркония может обеспечить вам лучшие эстетические эффекты и биосовместимость. Вы можете использовать оксид циркония в качестве имплантата, чтобы снизить вероятность аллергии, и он больше подходит для области передних зубов. Титановые имплантаты имеют более длительный клинический опыт поддержки и более низкую стоимость.
Сколько стоит циркониевая коронка?
Рыночная цена циркониевых коронок в Соединенных Штатах обычно составляет от $500 до $1200. На конкретную цену влияет множество факторов, поэтому рекомендуется проконсультироваться со специалистом в профессиональном учреждении.
Окрашиваются ли циркониевые коронки?
Циркониевые коронки обладают превосходной стабильностью цвета и не изменятся и не окрасятся со временем, поэтому вы можете быть уверены. Цирконий может противостоять окрашиванию пищевыми пигментами, такими как кофе, чай и красное вино. Тем не менее, вам все равно нужно уделять внимание гигиене полости рта в любое время. Обратите внимание на 1, чтобы обеспечить здоровье естественных зубов и десен вокруг коронки.
Как долго служат циркониевые имплантаты?
Клинические исследования показали, что продолжительность жизни циркониевых имплантатов может достигать 15-20 лет и даже дольше, а показатель успешности имплантации составляет более 95%. Вам нужно только уделять внимание гигиене полости рта и проводить регулярный уход и чистку, чтобы обеспечить долгосрочную стабильность имплантата во рту. Мы рекомендуем вам проходить профессиональный осмотр раз в год.
Циркониевая или фарфоровая коронка?
Между циркониевыми и традиционными фарфоровыми коронками существуют значительные различия с точки зрения структуры материала, прочности и эстетики. Фарфоровые зубы изготавливаются из керамических материалов и имеют хорошую эстетику, но их прочность относительно низкая. Если вы едите очень твердую пищу, фарфор, скорее всего, сломается. Напротив, циркониевые коронки представляют собой новое поколение керамических материалов с твердостью до 1200 МПа, что в 3-4 раза больше, чем у обычного фарфора. С точки зрения светопропускания и эстетики циркониевые коронки сопоставимы с фарфоровыми коронками. Сравнимы, но более долговечны.
Безопасен ли цирконий?
Цирконий является одним из самых биосовместимых материалов в стоматологической сфере. Вам не нужно беспокоиться о его безопасности. Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) одобрило оксид циркония для медицинских имплантатов, и большое количество клинических исследований подтвердило, что оксид циркония не вызывает аллергических реакций и не производит веществ, вредных для человеческого организма. В то же время поверхность оксида циркония гладкая, и на ней нелегко удерживать пищу и бактерии, что может снизить риск воспаления. Цирконий является оксидом и не содержит металлических компонентов. Он не вызовет аллергии на металлы и не создаст металлического привкуса во рту.
Циркониевая коронка или PFM?
По сравнению с традиционными металлокерамическими коронками (ПФМ) цирконий имеет много преимуществ. Во-первых, цирконий не является металлом, не вызывает аллергии на металл и позволяет избежать проблемы черных полос на десневом крае. Во-вторых, прочность и долговечность циркония лучше, чем у ПФМ, и нет риска отслоения фарфора.
С точки зрения эстетики, цирконий может лучше имитировать светопропускание естественных зубов и представлять лучший визуальный эффект. Хотя первоначальная стоимость циркония выше, нужно учитывать, что он имеет более длительный срок службы и лучшие эстетические эффекты. В целом цирконий более экономически эффективен.
Каковы различные формы стабилизированного диоксида циркония?
- Цирконий, стабилизированный оксидом иттрия: добавление иттрия может стабилизировать кристаллическую кубическую структуру при комнатной температуре, и это один из самых распространенных материалов на основе циркония на рынке.
- Цирконий, стабилизированный оксидом магния: Цирконий, стабилизированный оксидом магния, имеет лучшую устойчивость к высоким температурам, чем цирконий, стабилизированный оксидом иттрия, а его теплопроводность будет ниже.
- Цирконий, стабилизированный оксидом кальция: Цирконий, стабилизированный оксидом циркония, имеет температуру плавления около 2700°C. Это очень распространенный огнеупорный материал, который широко используется в покрытиях.
- Цирконий, стабилизированный церием: Цирконий, стабилизированный церием, является лучшим выбором, чем оксид магния и оксид иттрия, с точки зрения влагостойкости и часто используется в датчиках, системах управления жидкостями и компонентах насосов.
Можно ли использовать цирконий при высоких температурах?
Конечно, цирконий можно использовать при температуре выше 1400 градусов, и теоретически он может сохранять хорошую стабильность в условиях высоких и низких температур, поэтому вы можете использовать его с уверенностью.
Какой материал более износостойкий: цирконий или оксид алюминия?
И оксид алюминия, и диоксид циркония являются превосходными износостойкими материалами, но их эксплуатационные характеристики различаются.
Оксид алюминия имеет более высокую твердость и подходит для относительно жестких и высокотемпературных сред, таких как шлифовальные круги и износостойкие покрытия.
Цирконий немного менее тверд, чем оксид алюминия, но обладает лучшей прочностью и ударопрочностью, а также более долговечен, чем оксид алюминия, что делает его пригодным для износостойких изделий, таких как подшипники и режущие инструменты.
Почему оксид циркония подходит для топливных элементов?
Стабилизированный оксид циркония обладает высокой ионной проводимостью при высоких температурах, что делает его очень подходящим материалом для применения в ТОТЭ и позволяет обеспечить эффективный перенос ионов.
Подвести итог
Цирконий, высокоэффективный материал, используется во всех аспектах нашей жизни. Надеюсь, после прочтения этой статьи вы глубже поймете цирконий.