اکسید زیر کونیوم (1)

اکسید زیر کونیوم((zrO_2 که گاهی مواقع به آن زیر کونیا گفته می شود اکسیدی سفید رنگ از فلز زیرکونیوم است. زیر کونیا به صورت اکسید خالص در طبیعت وجود ندارد. این ماده در کافی های با دولیت (baddelyite) وزیر کن (zircon) (Zrsio_4 ) وجود دارد. این دوکانی طبیعی منابع عمده ی تأمین کننده ی زیرکونیا هستند. گستردگی منابع زیر کن بسیار زیاد است اما این کانی خلوص کمتری داشته وازاین رواستفاده از آن نیاز به فرایندهای آماده سازی زیادی است.
فراوری زیر کونیا نیازمند جدا سازی مواد ناخاسته وخالص سازی آن است. ناخالصی های مختلفی به همراه کانی های زیرکونیا دار وجود دارد. مثلاً یکی از ناخالصی های زیرکن سیلیس است.اکسید ها فنیوم نیز یکی از ناخالصی های زیر کونیا محسوب می شود. کانی با دولیت نیز دارای ناخالصی هایی همچون آهن واکسید تیتانیم می باشد. رسوبات زیرکونیا در برزیل و آفریقای جنوبی بیشتر است. ولی مقدار آن خیلی ناچیز است وارزش استخراج آن پایین است. به همین علت برای تولید اکسید زیرکونیوم باید به سراغ ترکیباتی که حاوی این اکسید است برویم. درواقع زیرکن به عنوان منبع تأمین کننده ی زیرکونیا است.زیرکن درکشورهایی مثل استرالیا، آمریکا ، هند ، سریلانکلا وجود دارد. البته زیر کن علاوه بر استفاده در تولید زیرکونیا درلعاب و... نیز کاربرد دارد. برای فراوری واستخراج زیرکونیا از زیرکن چندین روش وجود دارد که عبارتند از :
1) کلریناسیون
2) تجزیه به کمک هیدوکسیدهای قلیایی
3) ذوب قلیایی
4) تجزیه ی پلاسمایی
5) روش هم رسوبی شیمیایی
6) سایر روش ها (CVDو ...)

فازهای زیر کونیا
 

زیرکونیا دارای سه فاز مونوکلینیک ، تتراگونال وکیوبیک است.فازمونو کلینیک در درمای 1170C° به فاز تتراگونال و فاز تتراگونال در دمای 2370C° به فاز کیوبیک تبدیل می شود. (شکل 1)

عمده ترین فرم این ماده که در طبیعت وجود دارد مونو کلینیک است. فرم دما بالای آن (کیوبیک) به ندرت در طبیعت وجود دارد .منیرال تاز هرانیت (tazheranite) با فرمول Zr,Ti,Ca)o_2 ) یکی از مینرال هایی است که به صورت فاز کیوبیک است. از زیر کونیای کیوبیک که به صورت مصنوعی سنتز می شود به طور گسترده ای درساخت سنگ های تزئینی استفاده می شود. زیرکونیای کیوبیک شبیه ترین ماده به الماس است (شکل 2)

همانگونه که گفتیم زیرکونیا در دمای 1170C° از فاز مونوکلینک به تتراگونال تغییر فاز می دهد. این تغییر فاز با تغییر زیادی در پارامتر شبکه همراه است.یکی از پیامدهای این تغییر فاز، انبساط حجمی بزرگی است که درهنگام سرد کردن رخ می دهد وباعث می شود تولید قطعات زیرکونیای خالص امکان پذیر نباشد. (سرد کردن زیرکونیا در دمای1170C° باعث انبساط 5-3% می شود.)
برای تولید اجزای زیرکونیایی، این مسئله ضروری است که همه یا بخشی از زیرکونیا را به صورت کیوبیک یا تتراگونال تثبیت کنیم. این فرآیند تثبیت کردن بوسیله ی افزودن عوامل تثبیت کننده ایجاد می شود. افزودن مقادیر متنوعی از تثبیت کننده های فاز کیوبیک مانندMgo,CaO،O_3 Y_2 موجب تشکیل زیرکونیای تاحدی تثبیت شده (partially Stanlized Zirconia) می شود.
دربین سه فاز زیر کونیا فاز کیوبیک به لحاظ داشتن خواص ویژه از همه ی فازها شرایط بهتری دارد.
ونسبت به فازهای دیگر ترجیح داده می شود ازاین روتلاش می شود تا این فاز در بدنه حفظ گردد. بعد از فاز کیوبیک فازتتراگونال شرایط بهتری نسبت به فاز مونو کلینیک دارد.استفاده از اکسیدهای تثبیت کننده باعث باقی ماندن فازهای دما بالا دردمای اتاق وتولید قطعات با خواص ممتاز می شود.
اگردر دمای پایین ما تنها فاز کیوبیک یا تتراگونال داشته باشیم به آن زیرکونیای به طور کامل پایدار شده (Fully Stablized zirconia) می گوییم.
با استفاده از زیرکونیلی به طور کامل پایدار شده (FSZ) یا زیر کونیای تا حدی پایدار شده ( PSZ ) را می توان بدنه های پایدار تهیه کرد. این بدنه ها خواص ممتازی دارند که در ادامه به آنها می پردازیم.
افزوده شدن اکسیدهای تثبیت کننده سبب تشکیل محلول جامد می شود که در این حالت توجه به حد حلالیت اکسید در زیر کونیا یکی از مسائل مهم می باشد. لازم به ذکر است که افزایش Ca و Co می تواند سختی زیرکونیا را به طور قابل توجهی افزایش دهد. همچنین Mg می تواند چقرمگی را افزایش دهد ( KIC را افزایش می دهد)

ویژگی های کلیدی
 

ویژگی های خاص زیرکونیا که موجب استفاده از آن درکاربردهای متنوعی می شود عبارتند از:
1) استحکام بالا
2) تافنس شکست بالا
3) مقاومت سایشی استثنائی
4) سختی بالا
5) مقاومت شیمیایی استثنایی
6) تافنس بالا
7) دیرگدازی بالا
8) رسانایی یونی (یون اکسیژن)خوب
ویژگی های مهم سرامیک های زیرکونیایی به درجه تثبیت شدن ونوع تثبیت کننده وفرآیند تولید آن بستگی دارد.در جدول 1 ویژگی های چند نمونه از زیر کونیا آورده شده است.

علاوه برخصوصیات بیان شده در بالا برخی از ویژگی های زیرکونیا وجود دارد که باعث شده است این ماده یکی از مواد مهندسی پرکاربرد باشد. این ویژگی ها عبارتند از :
1) رفتار اصطلاکی مناسب
2) نداشتن خاصیت مغناطیسی
3) عایق الکتریکی بودن
4) رسانایی گرمایی پایین

انواع زیرکونیا
 

انواع مختلفی از زیر کونیا وجود دارد. این نوع های مختلف از زیر کونیا بوسیله ی محققین وتولید کنندگان ارائه گشته است.در واقع محققین برای بدست آوردن خواص مختلف، انواع مختلفی از زیر کونیا با فازهای مختلف تولید کرده اند. برخی از این فازها تنها در دماهای بالا پایدارند وبایدبه نحوه ای آنها را سرد کرد که بتوان این فازها را در دمای اتاق داشته باشیم. برخی از انواع زیر کونیا بوسیله ی مکانیزم های تافنینگ زیر کونیا تولید می گردند . برخی از آنها درجدول 2 به صورت لیست وار آورده شده است. اکسید های پایدار کننده مورد استفاده دراین مواد معمولاً به صورت پیشوند به حروف اختصاری جدول 2 افزوده می شود. برخی اوقات درصد ماده ی تثبیت کننده نیز ذکر می شود. مثال هایی از حروف اختصاری که به همراه انواع مختلف زیر کونیا استفاده می شوند عبارتند از A,Mg,Ce,Y که به ترتیب بدین معنا هستند . (Y_2 O_3،MgO,〖CeO〗_2، 〖AI〗_2 O_3 )
عبارت زیر 3Y-TZP بدین معنا ست که این محصول زیرکونیای تتراگونال و پلی کریستالی است که 3 درصد مولی (Y_2 O_3 ) دارد.

مقایسه ی خواص
درجدول 3 خواص گریدهای مختلف زیر کونیا آورده شده است.که این اطلاعات از منابع مختلفی گرد آوری وترکیب شده اند.

به هر حال همانند اکثر سرامیک ها، خواص مواد زیرکونیای نیزتابع فاکتورهای بسیاری مانند پودر اولیه و روش تولید و... است اکثر روش های تولید سرامیک ها برای زیرکونیا استفاده می شود مثلاً این روش ها عبارتند از : پرس خشک، پرس ایزو استاتیک، قالب گیری تزریقی، اکستروژن وریخته گری نواری در طی فرآیند تولید ممکن است ناخالصی هایی به بدنه افزوده شود که این ناخالصی ها خواص بدنه را کاهش می دهند.
منبع:ترجمه شده از تعدادی از منابع لاتین مانند : AZOM.COM