เซอร์โคเนียมไดออกไซด์

โครงสร้างผลึกแบบเตตระโกนัลของเซอร์โคเนียมไดออกไซด์
ชื่อ
ชื่อ IUPAC เซอร์โคเนียมไดออกไซด์เซอร์โคเนียม(IV)ออกไซด์
ชื่ออื่นๆ เซอร์โคเนียแบดเดลไลต์
ตัวระบุ
หมายเลข CAS	1314-23-4 วาย
โมเดล 3 มิติ ( JSmol )	ภาพแบบโต้ตอบ
เคมสไปเดอร์	56183
บัตรข้อมูล ECHA	100.013.844
หมายเลข EC	215-227-2
PubChem CID	62395
มหาวิทยาลัย	S38N85C5G0 วาย
แดชบอร์ด CompTox ( EPA )	DTXSID301315847 DTXSID1042520, DTXSID301315847
อินชิ InChI=1S/2O.Zr คีย์: MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N
รอยยิ้ม O=[Zr]=O
คุณสมบัติ
สูตรเคมี	ZrO2
มวลโมลาร์	123.218 กรัม/โมล
รูปร่าง	ผงสีขาว
ความหนาแน่น	5.68 กรัม/ซม³
จุดหลอมเหลว	2,715 องศาเซลเซียส (4,919 องศาฟาเรนไฮต์; 2,988 เคลวิน)
จุดเดือด	4,300 °C (7,770 °F; 4,570 K)
ความสามารถในการละลายในน้ำ	เล็กน้อย
ความสามารถในการละลาย	ละลายได้ในHFและH₂SO₄ ร้อน
ดัชนีหักเห ( n D )	2.13
เทอร์โมเคมี
เอนโทรปีโมลาร์มาตรฐาน( S ⦵ 298 )	50.3 J K −1 mol −1
เอนทาลปีมาตรฐานของการเกิด(Δ f H ⦵ 298 )	−1080 กิโลจูล/โมล
อันตราย
การติดฉลากGHS :
ภาพสัญลักษณ์
คำสัญญาณ	คำเตือน
คำเตือนเกี่ยวกับอันตราย	H315 , H319 , H335
คำเตือน	P261 , P264 , P271 , P280 , P302+P352 , P304+P340 , P305+P351+P338 , P312 , P321 , P332+P313 , P337+P313 , P362 , P403+P233 , P405 , P501
จุดวาบไฟ	ไม่ติดไฟ
ปริมาณหรือความเข้มข้นที่ทำให้เสียชีวิต (LD, LC):
LD 50 ( ขนาดยาเฉลี่ย )	> 8.8 กรัม/กิโลกรัม (รับประทานทางปาก ในหนูทดลอง)
เอกสารข้อมูลความปลอดภัย (SDS)	เอกสารข้อมูลความปลอดภัยของวัสดุ (MSDS)
สารประกอบที่เกี่ยวข้อง
แอนไอออนอื่นๆ	เซอร์โคเนียมไดซัลไฟด์
ไอออนบวกอื่นๆ	ไทเทเนียมไดออกไซด์แฮฟเนียมไดออกไซด์
เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ข้อมูลที่ให้ไว้เป็นข้อมูลสำหรับวัสดุในสภาวะมาตรฐาน (ที่อุณหภูมิ 25 °C [77 °F] ความดัน 100 kPa) วาย ตรวจสอบ  (คืออะไร   ?) วายเอ็น ข้อมูลอ้างอิงในกล่องข้อมูล

เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ ( ZrO)₂) บางครั้งเรียกว่าเซอร์โคเนีย (ไม่ควรสับสนกับเซอร์โคเนียมซิลิเกตหรือเซอร์คอน ) เป็นออกไซด์ ผลึกสีขาว ของเซอร์โคเนียมรูปแบบที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมากที่สุด ซึ่งมีโครงสร้างผลึกแบบโมโนคลินิกคือ แร่ แบดเดลไลต์ เซอร์ โคเนียที่มีโครงสร้างลูกบาศก์ที่เสถียรด้วยสารเจือปน เรียกว่าเซอร์โคเนียลูกบาศก์ได้รับการสังเคราะห์ในสีต่างๆ เพื่อใช้เป็นอัญมณีและเพชรเทียม^{[ 1 ]}

เซอร์โคเนียผลิตโดยการเผาสารประกอบเซอร์โคเนียม โดยใช้ประโยชน์จากความเสถียรต่อความร้อนสูง^{[ 2 ]}

ทราบสามเฟส ได้แก่ โมโนคลินิกที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1170 °C เตตระโกนัลที่อุณหภูมิระหว่าง 1170 °C ถึง 2370 °C และคิวบิกที่อุณหภูมิสูงกว่า 2370 °C ^{[ 3 ]}

แนวโน้มคือความสมมาตรที่สูงขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งมักจะเป็นเช่นนั้น ออกไซด์ของแคลเซียมหรืออิตเทรียมเพียงเล็กน้อยจะคงตัวในเฟสลูกบาศก์^{[ 2 ]}แร่ทาเชอราไนต์ ( Zr,Ti,Ca)O ₂ ที่หายากมากนั้นมีโครงสร้างเป็นลูกบาศก์แตกต่างจากTiO ₂ซึ่งมีไทเทเนียมที่มีการประสานงานหกตำแหน่งในทุกเฟส เซอร์โคเนียแบบโมโนคลินิกประกอบด้วยศูนย์กลางเซอร์โคเนียมที่มีการประสานงานเจ็ดตำแหน่ง ความแตกต่างนี้เกิดจากขนาดที่ใหญ่กว่าของอะตอมเซอร์โคเนียมเมื่อเทียบกับอะตอมไทเทเนียม^{[ 4 ]}

เซอร์โคเนียไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมี มันจะถูกกัดกร่อนอย่างช้าๆ โดยกรดไฮโดรฟลูออริกและกรดซัลฟิวริก เข้มข้น เมื่อให้ความร้อนร่วมกับคาร์บอน มันจะเปลี่ยนเป็นเซอร์โคเนียมคาร์ไบด์เมื่อให้ความร้อนร่วมกับคาร์บอนในที่ที่มีคลอรีน มันจะเปลี่ยนเป็นเซอร์โคเนียม(IV) คลอไรด์การเปลี่ยนแปลงนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการทำให้โลหะเซอร์โคเนียมบริสุทธิ์และคล้ายคลึงกับกระบวนการครอลล์

เซอร์โคเนียมไดออกไซด์เป็นหนึ่งในวัสดุเซรามิก ที่ได้รับการศึกษามากที่สุด ZrO2มีโครงสร้างผลึกแบบโมโนคลินิกที่อุณหภูมิห้องและเปลี่ยนเป็นแบบ_เตตระโกนัลและแบบลูกบาศก์ที่อุณหภูมิสูงขึ้น การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่เกิดจากการเปลี่ยนโครงสร้างจากเตตระโกนัลเป็นโมโนคลินิกเป็นลูกบาศก์ทำให้เกิดความเค้นสูง ส่งผลให้เกิดการแตกร้าวเมื่อเย็นตัวลงจากอุณหภูมิสูง^{[ 5 ]}เมื่อเซอร์โคเนียผสมกับออกไซด์อื่นๆ เฟสเตตระโกนัลและ/หรือลูกบาศก์จะมีความเสถียร สารเจือปนที่มีประสิทธิภาพ ได้แก่^{แมกนีเซียม}ออกไซด์ (MgO) อิตเทรียมออกไซด์ ( Y2O3 , _อิตเท_รีย ) แคลเซียมออกไซด์ ( CaO ) และซีเรียม(III) ออกไซด์ ( Ce2O3 ₎ ^{[ 6} ]

เซอร์โคเนียมักมีประโยชน์มากกว่าในสถานะเฟสที่ 'เสถียร' เมื่อได้รับความร้อน เซอร์โคเนียจะเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสที่ไม่พึงประสงค์ การเติมอิตเทรียในปริมาณเล็กน้อยจะช่วยขจัดการเปลี่ยนแปลงเฟสเหล่านี้ และวัสดุที่ได้จะมีคุณสมบัติทางความร้อน ทางกล และทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า ในบางกรณี เฟสเตตระโกนัลอาจเป็นเฟสที่ไม่เสถียรหากมีเฟสเตตระโกนัลที่ไม่เสถียรในปริมาณที่เพียงพอ แรงเค้นที่กระทำ ซึ่งถูกขยายโดยความเข้มข้นของแรงเค้นที่ปลายรอยแตก สามารถทำให้เฟสเตตระโกนัลเปลี่ยนเป็นเฟสโมโนคลินิก พร้อมกับการขยายตัวของปริมาตร การเปลี่ยนแปลงเฟสนี้สามารถทำให้รอยแตกอยู่ในสภาวะอัด ชะลอการเติบโตของรอยแตก และเพิ่มความทนทานต่อการแตกหักกลไกนี้เรียกว่าการเพิ่มความทนทานจากการเปลี่ยนแปลงเฟสซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ที่ทำจากเซอร์โคเนียที่เสถียรได้อย่างมาก^{[ 6 ] [ 7 ]}

ช่องว่างพลังงานของZrO ₂ขึ้นอยู่กับเฟส (ลูกบาศก์, สี่เหลี่ยมจัตุรัส, โมโนคลินิก หรืออสัณฐาน) และวิธีการเตรียม โดยค่าประมาณทั่วไปอยู่ที่ 5–7 eV ^{[ 8 ]}

กรณีพิเศษของเซอร์โคเนียคือเซอร์โคเนียโพลีคริสตัลแบบเตตระโกนัลหรือ TZP ซึ่งบ่งชี้ว่าเป็นเซอร์โคเนียโพลีคริสตัลที่ประกอบด้วยเฟสเตตระโกนัลที่ไม่เสถียรเพียงอย่างเดียว

เมื่อ ZrO₂ _ถูกทำให้เสถียรโดยการเติมอิตเทรียมออกไซด์ 3 โมลเปอร์เซ็นต์ (3Y-ZrO₂ ₎ที่อุณหภูมิสูง (~1500 °C) คุณสมบัติทางกล เช่นความเหนียวแตกหักความแข็งแรงดัดงอและความแข็งจะดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ทั้งนี้เนื่องจาก 3Y-ZrO₂ _ยังคงรักษาสภาพเฟสเตตระโกนัลที่ไม่เสถียรไว้ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งจะเกิดการเปลี่ยนแปลงภายใต้ความเค้นไปเป็นเฟสโมโนคลินิก ทำให้เกิด กลไก การเพิ่มความแข็งแรงจากการเปลี่ยนแปลงเฟสภายใต้ความเค้นสูง

ในทางตรงกันข้าม เมื่อ ZrO ₂ถูกทำให้เสถียรด้วยอิตเทรียมออกไซด์ 5 โมล% (5Y-ZrO ₂ ) มันจะอยู่ในเฟสลูกบาศก์เป็นหลัก และไม่เกิดกลไกการเพิ่มความแข็งแรงจากการเปลี่ยนแปลงเมื่อมีการใช้แรงกด ส่งผลให้ในขณะที่ 5Y-ZrO₂ แสดงคุณสมบัติทางแสง ที่ดีกว่า เช่น ความโปร่งใสที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากมีขอบเกรนน้อยลงที่จะกระจายแสงแต่คุณสมบัติทางกล (ความเหนียวแตกหัก ความแข็งแรง และความแข็ง) ของมันกลับไม่ดีขึ้นในลักษณะเดียวกับ 3Y-ZrO₂ ^{[ 9 ] [ 10 ]}

การใช้งานหลักของเซอร์โคเนียคือการผลิตเซรามิกแข็ง เช่น ในงานทันตกรรม^{[ 11 ]}และการใช้งานอื่นๆ ได้แก่การเคลือบป้องกันบนอนุภาคของเม็ดสีไทเทเนียมไดออกไซด์^{[ 2 ]} เป็นวัสดุทนไฟฉนวนสารขัด ถูและเคลือบฟัน

เซอร์โคเนียที่เสถียรใช้ในเซ็นเซอร์ออกซิเจนและ เมมเบรน เซลล์เชื้อเพลิงเนื่องจากมีความสามารถในการทำให้ไอออนออกซิเจนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระผ่านโครงสร้างผลึกที่อุณหภูมิสูงการนำไฟฟ้าไอออนิก สูง (และการนำไฟฟ้าอิเล็กตรอนต่ำ) ทำให้เป็นหนึ่งในเซรามิกไฟฟ้าที่มีประโยชน์มากที่สุด[ 2 ^{]เซอร์โคเนียมได}ออกไซด์ยังใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ของแข็งในอุปกรณ์อิเล็กโทรโครมิกอีก ด้วย

เซอร์โคเนียเป็นสารตั้งต้นของอิเล็กโทรเซรามิกตะกั่วเซอร์โคเนตไททาเนต ( PZT ) ซึ่งเป็นไดอิเล็กทริกที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูง และพบได้ในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มากมาย

ค่าการนำความร้อนที่ต่ำมากของเซอร์โคเนียเฟสลูกบาศก์ยังนำไปสู่การใช้เป็นสารเคลือบป้องกันความร้อน (TBC) ใน เครื่องยนต์ เจ็ทและเครื่องยนต์ดีเซลเพื่อให้สามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้^{[ 12 ]}ในทางเทอร์โมไดนามิกส์ ยิ่งอุณหภูมิการทำงานของเครื่องยนต์สูงขึ้นเท่าใด ประสิทธิภาพที่เป็นไปได้ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นการใช้งานที่มีค่าการนำความร้อนต่ำอีกอย่างหนึ่งคือการใช้เป็นฉนวนใยเซรามิกสำหรับเตาเผาการเจริญเติบโตของผลึก ชุดเซลล์เชื้อเพลิง และระบบทำความร้อนอินฟราเรด

วัสดุนี้ยังใช้ในทันตกรรมในการผลิตโครงสร้างรองรับสำหรับการสร้างงานบูรณะฟันเช่นครอบฟันและสะพานฟันซึ่งจะถูกเคลือบด้วย พอร์ เซเลนเฟลด์สปาติก แบบดั้งเดิม เพื่อความสวยงาม หรือสร้างฟันปลอมที่แข็งแรงและทนทานเป็นพิเศษจากเซอร์โคเนียแบบโมโนลิธิกทั้งหมด โดยมีความสวยงามที่จำกัดแต่กำลังได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} เซอร์โคเนียที่เสถียรด้วยอิตเทรีย (อิตเทรียมออกไซด์) หรือที่รู้จักกันในชื่อ เซอร์โคเนีย ที่เสถียรด้วยอิต เทรี ย สามารถใช้เป็นวัสดุฐานที่แข็งแรงในงานบูรณะครอบฟันเซรามิกแบบเต็มรูปแบบบางชนิดได้^{[ 14 ] [ 16 ]}

เซอร์โคเนียที่เสริมความแข็งแรงด้วยการเปลี่ยนแปลงถูกนำมาใช้ทำมีดเซรามิก [ ^{17 ] เนื่องจาก}ความแข็ง มีดที่มีขอบเซรามิกจึงคมนานกว่ามีดที่มีขอบเหล็ก^{[ 18 ]}

เนื่องจากคุณสมบัติที่ไม่หลอมละลายและการส่องสว่างที่ยอดเยี่ยมเมื่อถูกความร้อนจึงถูกนำมาใช้เป็นส่วนประกอบของแท่งไฟสำหรับโคมไฟเซอร์โคเนียถูกนำมาใช้เป็นทางเลือกแทนไฟไลม์ไลท์ในโคมไฟเซอร์โคเนีย

มีการเสนอให้ใช้เซอร์โคเนียในการแยกคาร์บอนมอนอกไซด์และออกซิเจนจากชั้นบรรยากาศของดาวอังคารด้วยไฟฟ้า เพื่อให้ได้ทั้งเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์ที่สามารถใช้เป็นแหล่งเก็บพลังงานเคมีสำหรับการขนส่งบนพื้นผิวของดาวอังคารเครื่องยนต์คาร์บอนมอนอกไซด์/ออกซิเจน ได้รับการแนะนำสำหรับการใช้งานขนส่งบนพื้นผิวในช่วงแรก เนื่องจากทั้งคาร์บอนมอนอกไซด์และออกซิเจนสามารถผลิตได้โดยตรงจากการแยกด้วยไฟฟ้าของเซอร์โคเนียโดยไม่ต้องใช้น้ำเพื่อให้ได้ไฮโดรเจน ซึ่งจำเป็นสำหรับการผลิตมีเทนหรือเชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ^{[ 19 ]}

เซอร์โคเนียยังใช้ในการเคลือบออปติกด้วย เป็นวัสดุที่มีดัชนีหักเหสูงที่สามารถใช้งานได้ตั้งแต่ใกล้ยูวีไปจนถึงอินฟราเรดช่วงกลางเนื่องจากมีการดูดซับต่ำในช่วงสเปกตรัมนี้ ในการใช้งานดังกล่าว มักจะเคลือบด้วยPVD ^{[ 20 ]}

ในการทำเครื่องประดับ ตัวเรือนนาฬิกาบางรุ่นโฆษณาว่าเป็น "เซอร์โคเนียมออกไซด์สีดำ" ^{[ 21 ]}ในปี 2015 Omega ได้ออก นาฬิกาที่ทำ จาก ZrO ₂ ทั้งหมด ชื่อ "The Dark Side of The Moon" ^{[ 22 ]}โดยมีตัวเรือน ขอบหน้าปัด ปุ่มกด และตัวล็อกทำจากเซรามิก และโฆษณาว่าแข็งกว่าสแตนเลสถึงสี่เท่า จึงทนต่อรอยขีดข่วนได้ดีกว่ามากในระหว่างการใช้งานประจำวัน

ในการเชื่อมด้วยอาร์กทังสเตนแบบ ใช้แก๊ส อิเล็กโทรดทังสเตนที่มี เซอร์โคเนียมออกไซด์ ( เซอร์โคเนีย ) 1% แทนทอเรียม 2% มีความสามารถในการเริ่มต้นอาร์กและกระแสไฟฟ้าที่ดี และไม่มีกัมมันตรังสี^{[ 23 ]}

เซอร์โคเนียได้รับการศึกษาในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาแสง^{[ 24 ]}เนื่องจากช่องว่างแถบพลังงาน สูง (~ 5 eV) ^{[ 25 ]}ช่วยให้เกิดอิเล็กตรอนและโฮลที่มีพลังงานสูง การศึกษาบางส่วนแสดงให้เห็นถึงกิจกรรมของเซอร์โคเนียที่เจือปน (เพื่อเพิ่มการดูดซับแสงที่มองเห็นได้) ในการย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์^{[ 26 ] [ 27 ]}และลดCr(VI)จากน้ำเสีย^{[ 28 ]}

เซอร์โคเนียเป็นวัสดุไดอิเล็กทริกที่มีค่าคง ที่ไดอิเล็กท ริก สูง (high-κ)ที่มีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้เป็นฉนวนในทรานซิสเตอร์

ผลึกเดี่ยวของเซอร์โคเนียในเฟสลูกบาศก์มักใช้เป็นเพชรเทียมในเครื่องประดับเช่นเดียวกับเพชร เซอร์โคเนียลูกบาศก์มีโครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์และมีดัชนีหักเหสูง การแยกแยะเซอร์โคเนียลูกบาศก์คุณภาพดีออกจากเพชรด้วยตาเปล่านั้นทำได้ยาก และช่างทำเครื่องประดับส่วนใหญ่จะมีเครื่องทดสอบการนำความร้อนเพื่อระบุเซอร์โคเนียลูกบาศก์โดยพิจารณาจากการนำความร้อน ต่ำ (เพชรเป็นตัวนำความร้อนที่ดีมาก) เซอร์โคเนียในสถานะนี้มักถูกเรียกว่าเซอร์โคเนียลูกบาศก์ CZ หรือเซอร์คอนโดยช่างทำเครื่องประดับแต่ ชื่อสุดท้ายนั้นไม่ถูกต้องทางเคมีเซอร์คอนเป็นชื่อแร่ของซิลิเกตเซอร์โคเนียม(IV) ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ( ZrSiO4 ₎

• การชุบแข็ง
• การเผาผนึก
• ดาวฤกษ์ประเภท Sที่ปล่อยเส้นสเปกตรัมของเซอร์โคเนียมโมโนออกไซด์
• เซอร์โคเนียที่เสถียรด้วยอิตเทรีย

• กรีน, ดีเจ; แฮนนิงก์, อาร์; สเวน, เอ็มวี (1989). การเพิ่มความแข็งแรงของเซรามิกด้วยกระบวนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง . โบคา ราตัน: สำนักพิมพ์ซีอาร์ซี. ISBN 0-8493-6594-5.
• Heuer, AH; Hobbs, LW, บรรณาธิการ (1981). วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของเซอร์โคเนีย . ความก้าวหน้าในเซรามิกส์. เล่ม 3. โคลัมบัส, โอไฮโอ: สมาคมเซรามิกส์อเมริกัน. หน้า 475.
• Claussen, N.; Rühle, M.; Heuer, AH, eds. (1984). Proc. 2nd Int'l Conf. on Science and Technology of Zirconia . Advances in Ceramics. Vol. 11. Columbus, OH: American Ceramic Society.

• คู่มือพกพา NIOSH เกี่ยวกับอันตรายจากสารเคมี