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Articulo de referencia

dióxido de circonio

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Dióxido de circonio ( ZrO2 ), a veces conocida comozirconia(que no debe confundirse con el silicato de circonio ocircón), es unóxidodecirconio. Su forma más común en la naturaleza, con unaestructura cristalina monoclínica, es elmineralbaddeleyita. Una zirconia de estructura cúbica estabilizada con dopantes,la zirconia cúbica, se sintetiza en varios colores para su uso comogemaysimulante de diamante. [ 1 ]

Producción, propiedades químicas, ocurrencia

La zirconia se produce mediante la calcinación de compuestos de zirconio, aprovechando su alta termoestabilidad . [ 2 ]

Estructura

Se conocen tres fases: monoclínica por debajo de 1170  °C, tetragonal entre 1170  °C y 2370  °C, y cúbica por encima de 2370  °C. [ 3 ]

La tendencia es hacia una mayor simetría a temperaturas más altas, como suele ser el caso. Un pequeño porcentaje de los óxidos de calcio o itrio se estabiliza en la fase cúbica. [ 2 ] El mineral muy raro tazheranita , (Zr,Ti,Ca)O 2 , es cúbico . A diferencia del TiO 2 , que presenta titanio hexacoordinado en todas las fases, la zirconia monoclínica consta de centros de zirconio heptacoordinados. Esta diferencia se atribuye al mayor tamaño del átomo de zirconio en relación con el átomo de titanio. [ 4 ]

Reacciones químicas

La zirconia es químicamente inerte. Es atacada lentamente por ácido fluorhídrico y ácido sulfúrico concentrados . Al calentarse con carbono, se transforma en carburo de zirconio . Al calentarse con carbono en presencia de cloro, se transforma en cloruro de zirconio(IV) . Esta transformación es la base para la purificación del zirconio metálico y es análoga al proceso Kroll .

Propiedades de ingeniería

Bolas de rodamiento

El dióxido de circonio es uno de los materiales cerámicos más estudiados . El ZrO₂ adopta una estructura cristalina monoclínica a temperatura ambiente y transiciona a tetragonal y cúbica a temperaturas más elevadas. El cambio de volumen causado por las transiciones estructurales de tetragonal a monoclínica y cúbica induce grandes tensiones, lo que provoca su agrietamiento al enfriarse desde altas temperaturas. [ 5 ] Cuando la zirconia se mezcla con otros óxidos, las fases tetragonal y/o cúbica se estabilizan. Entre los dopantes eficaces se incluyen el óxido de magnesio (MgO), el óxido de itrio ( Y₂O₃ , itria ), el óxido de calcio ( CaO ) y el óxido de cerio(III ) ( Ce₂O₃ ) . [ 6 ]

La zirconia suele ser más útil en su estado de fase estabilizada. Al calentarse, la zirconia experimenta cambios de fase disruptivos. Al añadir pequeños porcentajes de itria, estos cambios de fase se eliminan y el material resultante presenta propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas superiores. En algunos casos, la fase tetragonal puede ser metaestable . Si hay cantidades suficientes de la fase tetragonal metaestable, una tensión aplicada, magnificada por la concentración de tensión en la punta de una grieta, puede provocar que la fase tetragonal se convierta en monoclínica, con la consiguiente expansión de volumen. Esta transformación de fase puede entonces comprimir la grieta, retardando su crecimiento y mejorando la tenacidad a la fractura . Este mecanismo, conocido como endurecimiento por transformación , prolonga significativamente la fiabilidad y la vida útil de los productos fabricados con zirconia estabilizada. [ 6 ] [ 7 ]

La brecha de banda del ZrO₂ depende de la fase (cúbica, tetragonal, monoclínica o amorfa) y de los métodos de preparación, con estimaciones típicas de 5 a 7 eV. [ 8 ] 

Un caso especial de zirconia es el de la zirconia policristalina tetragonal , o TZP, que indica que se trata de zirconia policristalina compuesta únicamente por la fase tetragonal metaestable.

ZrO2 estabilizado con 3Y y ZrO2 estabilizado con 5Y

Cuando el ZrO₂ se estabiliza añadiendo un 3  % molar de óxido de itrio (3Y-ZrO₂ ) a altas temperaturas (~1500  °C), sus propiedades mecánicas, como la tenacidad a la fractura , la resistencia a la flexión y la dureza , mejoran significativamente. Esto se debe a que el 3Y-ZrO₂ conserva una fase tetragonal metaestable a temperatura ambiente, la cual experimenta una transformación inducida por tensión a la fase monoclínica, lo que da lugar a un mecanismo de endurecimiento por transformación de fase bajo alta intensidad de tensión.

Por el contrario, cuando el ZrO₂ se estabiliza con un 5  % molar de óxido de itrio (5Y-ZrO₂ ) , se encuentra principalmente en la fase cúbica y no experimenta un mecanismo de endurecimiento por transformación al aplicarle tensión. Como resultado, si bien el 5Y-ZrO₂ presenta mejores propiedades ópticas , es decir, una mayor translucidez debido a la menor cantidad de límites de grano que dispersan la luz , sus propiedades mecánicas ( tenacidad a la fractura , resistencia y dureza ) no mejoran de la misma manera que el 3Y-ZrO₂. [ 9 ] [ 10 ]

Usos

El uso principal de la zirconia es en la producción de cerámicas duras, como en odontología, [ 11 ] con otros usos que incluyen como recubrimiento protector sobre partículas de pigmentos de dióxido de titanio , [ 2 ] como material refractario , en aislamiento , abrasivos y esmaltes .

La zirconia estabilizada se utiliza en sensores de oxígeno y membranas de pilas de combustible porque tiene la capacidad de permitir que los iones de oxígeno se muevan libremente a través de la estructura cristalina a altas temperaturas. Esta alta conductividad iónica (y una baja conductividad electrónica) la convierte en una de las electrocerámicas más útiles . [ 2 ] El dióxido de circonio también se utiliza como electrolito sólido en dispositivos electrocrómicos .

La zirconia es un precursor del titanato de zirconato de plomo electrocerámico ( PZT ), que es un dieléctrico de alta constante dieléctrica (κ) que se encuentra en infinidad de componentes.

Usos específicos

La muy baja conductividad térmica de la fase cúbica de la zirconia también ha propiciado su uso como recubrimiento de barrera térmica (TBC) en motores a reacción y diésel para permitir su funcionamiento a temperaturas más elevadas. [ 12 ] Termodinámicamente, cuanto mayor sea la temperatura de funcionamiento de un motor, mayor será su eficiencia . Otro uso de la baja conductividad térmica es como aislamiento de fibra cerámica para hornos de crecimiento de cristales, pilas de combustible y sistemas de calefacción por infrarrojos.

Este material también se utiliza en odontología en la fabricación de subestructuras para la construcción de restauraciones dentales como coronas y puentes , que luego se recubren con una porcelana feldespática convencional por razones estéticas, o de prótesis dentales fuertes y extremadamente duraderas construidas completamente de zirconia monolítica, con una estética limitada pero en constante mejora. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] La zirconia estabilizada con itria (óxido de itrio), conocida como zirconia estabilizada con itria , puede utilizarse como material base fuerte en algunas restauraciones de coronas totalmente cerámicas. [ 14 ] [ 16 ]

La zirconia endurecida por transformación se utiliza para fabricar cuchillos de cerámica . [ 17 ] Debido a su dureza, los cubiertos con filo de cerámica se mantienen afilados durante más tiempo que los productos con filo de acero. [ 18 ]

Debido a su infusibilidad y brillante luminosidad cuando está incandescente , se utilizó como ingrediente en barras para cal . La zirconia se utilizó como alternativa a la cal en lámparas de zirconia .

Se ha propuesto el uso de zirconia para electrolizar el monóxido de carbono y el oxígeno de la atmósfera de Marte , proporcionando así combustible y oxidante que podrían utilizarse como reserva de energía química para el transporte en la superficie marciana. Se han sugerido motores de monóxido de carbono/oxígeno para su uso inicial en el transporte de superficie, ya que tanto el monóxido de carbono como el oxígeno pueden producirse fácilmente mediante la electrólisis de zirconia sin necesidad de agua para obtener hidrógeno, necesario para la producción de metano o combustibles a base de hidrógeno. [ 19 ]

La zirconia también se utiliza en la deposición de recubrimientos ópticos . Es un material de alto índice de refracción que se puede utilizar desde el ultravioleta cercano hasta el infrarrojo medio , debido a su baja absorción en esta región espectral. En tales aplicaciones, se deposita típicamente mediante PVD . [ 20 ]

En la fabricación de joyas, algunas cajas de relojes se anuncian como de "óxido de circonio negro". [ 21 ] En 2015, Omega lanzó un reloj completamente de ZrO 2 llamado "The Dark Side of The Moon" [ 22 ] con caja, bisel, pulsadores y cierre de cerámica, anunciándolo como cuatro veces más duro que el acero inoxidable y, por lo tanto, mucho más resistente a los arañazos durante el uso diario.

En la soldadura por arco de tungsteno con gas , los electrodos de tungsteno que contienen 1 % de óxido de circonio ( circonia ) en lugar de 2 % de torio tienen buena capacidad de arranque de arco y de corriente, y no son radiactivos. [ 23 ]

Investigación académica

La zirconia se ha estudiado como fotocatalizador [ 24 ] debido a que su banda prohibida ancha (~5 eV) [ 25 ] permite la generación de electrones y huecos de alta energía. Algunos estudios demostraron la actividad de la zirconia dopada (para aumentar la absorción de luz visible) en la degradación de compuestos orgánicos [ 26 ] [ 27 ] y en la reducción de Cr(VI) de aguas residuales. [ 28 ]

La zirconia es también un material dieléctrico de alta constante dieléctrica con potencial para aplicaciones como aislante en transistores .

simulante de diamante

zirconia cúbica de talla brillante

Los monocristales de la fase cúbica de la zirconia se utilizan comúnmente como simulante de diamante en joyería . Al igual que el diamante, la zirconia cúbica tiene una estructura cristalina cúbica y un alto índice de refracción . Resulta difícil distinguir visualmente una gema de zirconia cúbica de buena calidad de un diamante, y la mayoría de los joyeros disponen de un medidor de conductividad térmica para identificar la zirconia cúbica por su baja conductividad térmica (el diamante es un excelente conductor térmico). Este estado de la zirconia se conoce comúnmente como zirconia cúbica , CZ o zircon por los joyeros , pero este último nombre no es químicamente preciso. Zircon es , de hecho, el nombre mineral del silicato de zirconio(IV) ( ZrSiO₄ ) que se encuentra en la naturaleza.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Wang, SF; Zhang, J.; Luo, DW; Gu, F.; Tang, DY; Dong, ZL; Tan, GEB; Que, WX; Zhang, TS; Li, S.; Kong, LB (2013-05-01). "Cerámicas transparentes: procesamiento, materiales y aplicaciones". Progress in Solid State Chemistry . 41 (1): 20– 54. doi : 10.1016/j.progsolidstchem.2012.12.002 . ISSN 0079-6786 . 
  2. 1 2 3 4 Nielsen, Ralph (2000). "Circonio y compuestos de zirconio". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . doi : 10.1002/14356007.a28_543 . ISBN 3-527-30673-0.
  3. ↑ R. Stevens, 1986. Introducción a la zirconia. Publicación Magnesium Elektron n.º 113
  4. ↑ Greenwood, NN; & Earnshaw, A. (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN  0-7506-3365-4.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  5. ↑ Platt, P.; Frankel, P.; Gass, M.; Howells, R.; Preuss, M. (noviembre de 2014). "Análisis de elementos finitos de la transformación de fase tetragonal a monoclínica durante la oxidación de aleaciones de circonio" . Journal of Nuclear Materials . 454 ( 1–3 ): 290–297 . Bibcode : 2014JNuM..454..290P . doi : 10.1016/j.jnucmat.2014.08.020 .
  6. 1 2 Evans, AG; Cannon, RM (1986). "Endurecimiento de sólidos frágiles mediante transformaciones martensíticas" . Acta Metall . 34 : 761. doi : 10.1016/0001-6160(86)90052-0 .
  7. ↑ Porter, DL; Evans, AG; Heuer, AH (1979). "Endurecimiento por transformación en PSZ". Acta Metall . 27 : 1649. doi : 10.1016/0001-6160(79)90046-4 .
  8. ↑ Chang, Jane P.; You-Sheng Lin; Karen Chu (2001). "Deposición química en fase vapor térmica rápida de óxido de circonio para aplicaciones en transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor". Journal of Vacuum Science and Technology B . 19 (5): 1782– 1787. Bibcode : 2001JVSTB..19.1782C . doi : 10.1116/1.1396639 .
  9. ^ Kongkiatkamon, Suchada; Rokaya, Dinesh; Kengtanyakich, Santiphab; Peampring, Chaimongkon (14 de julio de 2023). «Clasificación actual del circonio en odontología: una revisión actualizada» . PeerJ . 11e15669 . doi : 10.7717/peerj.15669 . ISSN 2167-8359 . PMC 10351515 . PMID 37465158 .   
  10. ^ Sol, Huijun; Tabrizian, Parinaz; Qambrani, Aqsa; Jargalsaikhan, Urangua; Sui, bronceado; Irlanda, Tony; Su, Bo (febrero de 2024). "Compuestos de circonio/PMMA tipo nácar bioinspirados para restauraciones dentales CAD/CAM en el consultorio" . Materiales Dentales . 40 (2): 307– 317. doi : 10.1016/j.dental.2023.11.017 . hdl : 1983/3ab04284-851e-44be-999e-c0aea88c36f6 . ISSN 1879-0097 . PMID 38040580 .  
  11. ↑ Gambogi, Joseph. "Estadísticas e información sobre zirconio y hafnio" . Centro Nacional de Información sobre Minerales del USGS . Archivado del original el 18 de febrero de 2018. Consultado el 5 de mayo de 2018 .
  12. ↑ "Recubrimientos de barrera térmica para motores de turbina de gas más eficientes" . studylib.net . Consultado el 6 de agosto de 2018 .
  13. ↑ Papaspyridakos, Panos; Kunal Lal (2008). "Rehabilitación completa de implantes de arco mediante prototipado rápido sustractivo y prótesis de porcelana fusionada a zirconia: un informe clínico" . The Journal of Prosthetic Dentistry . 100 (3): 165– 172. doi : 10.1016/S0022-3913(08)00110-8 . PMID 18762028 . 
  14. 1 2 Kastyl, Jaroslav; Chlup, Zdenek; Stastny, Premysl; Trunec, Martin (2020-08-17). "Maquinabilidad y propiedades de cerámicas de zirconia preparadas por el método de gelcasting". Advances in Applied Ceramics . 119 ( 5– 6): 252– 260. Bibcode : 2020AdApC.119..252K . doi : 10.1080/17436753.2019.1675402 . hdl : 11012/181089 . ISSN 1743-6753 . S2CID 210795876 .  
  15. ↑ WO2023025588A1 , Engels, Alexander y Schwendinger, Bettina, "Método para producir óxido de circonio granular", publicado el 2 de marzo de 2023 
  16. ↑ Shen, James, ed. (2013). Cerámica avanzada para odontología (1.ª ed.). Ámsterdam: Elsevier/BH. pág. 271. ISBN   978-0-12-394619-5.
  17. ↑ "Descripción general del polvo de dióxido de circonio: preparación, usos y seguridad" . Stanford Advanced Materials . Consultado el 15 de septiembre de 2024 .
  18. ↑ "Cuchillos y utensilios de cocina de cerámica con hoja dentada de 12 cm" . Cuchillos y utensilios de cocina de cerámica | Kyocera Asia-Pacífico . Consultado el 4 de agosto de 2021 .
  19. ↑ Landis, Geoffrey A.; Linne, Diane L. (2001). "Vehículo cohete a Marte que utiliza propelentes in situ". Journal of Spacecraft and Rockets . 38 (5): 730– 35. Bibcode : 2001JSpRo..38..730L . doi : 10.2514/2.3739 .
  20. ↑ "Óxido de circonio ZrO2 para recubrimiento óptico" . Materion . Archivado del original el 20 de octubre de 2013. Consultado el 30 de abril de 2013 .
  21. ↑ "Omega Co-Axial Chronograph 44.25 mm" . Relojes OMEGA . Archivado del original el 26 de marzo de 2016. Consultado el 27 de marzo de 2016 .
  22. ↑ "Speedmaster Moonwatch Dark Side Of The Moon | OMEGA" . Omega . Archivado del original el 9 de febrero de 2018. Consultado el 8 de febrero de 2018 .
  23. ↑ "Selección de tungsteno" (PDF) . Arc-Zone.com . Carlsbad, California . 2009. Consultado el 15 de junio de 2015 .
  24. ↑ Kohno, Yoshiumi; Tanaka, Tsunehiro; Funabiki, Takuzo; Yoshida, Satohiro (1998). "Identificación y reactividad de un intermedio superficial en la fotorreducción de CO2 con H2 sobre ZrO2". Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions . 94 (13): 1875– 1880. doi : 10.1039/a801055b .
  25. ↑ Gionco, Chiara; Paganini, Maria C.; Giamello, Elio; Burgess, Robertson; Di Valentin, Cristiana; Pacchioni, Gianfranco (15 de enero de 2014). "Dióxido de circonio dopado con cerio, un material fotoactivo de tercera generación sensible a la luz visible". The Journal of Physical Chemistry Letters . 5 (3): 447– 451. Bibcode : 2014JPCL....5..447G . doi : 10.1021/jz402731s . hdl : 2318/141649 . PMID 26276590 . 
  26. ↑ Yuan, Quan; Liu, Yang; Li, Le-Le; Li, Zhen-Xing; Fang, Chen-Jie; Duan, Wen-Tao; Li, Xing-Guo; Yan, Chun-Hua (agosto de 2009). "Fotocatalizador de dióxido de titanio-zirconia mesoporoso altamente ordenado para aplicaciones en la degradación de rodamina-B y evolución de hidrógeno". Microporous and Mesoporous Materials . 124 ( 1–3 ): 169–178 . Bibcode : 2009MicMM.124..169Y . doi : 10.1016/j.micromeso.2009.05.006 .
  27. ↑ Bortot Coelho, Fabrício; Gionco, Chiara; Paganini, Maria; Calza, Paola; Magnacca, Giuliana (3 de abril de 2019). "Control de la obstrucción de membranas en la filtración de compuestos orgánicos mediante zirconia dopada con Ce y luz visible" . Nanomaterials . 9 (4): 534. Bibcode : 2019Namat...9..534B . doi : 10.3390/nano9040534 . PMC 6523972. PMID 30987140 .  
  28. ↑ Bortot Coelho, Fabricio Eduardo; Candelario, Víctor M.; Araújo, Estêvão Magno Rodrigues; Miranda, Tânia Lúcia Santos; Magnacca, Giuliana (18 de abril de 2020). "Reducción fotocatalítica de Cr (VI) en presencia de ácido húmico utilizando Ce-ZrO2 inmovilizado bajo luz visible" . Nanomateriales . 10 (4): 779. doi : 10.3390/nano10040779 . ISSN 2079-4991 . PMC 7221772 . PMID 32325680 .   

Lecturas adicionales

  • Green, DJ; Hannink, R.; Swain, MV (1989). Endurecimiento por transformación de cerámicas . Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5.
  • Heuer, AH; Hobbs, LW, eds. (1981). Ciencia y tecnología de la zirconia . Avances en cerámica. Vol.  3. Columbus, OH: American Ceramic Society. pág.  475.
  • Claussen, N.; Rühle, M.; Heuer, AH, eds. (1984). Actas de la 2.ª Conferencia Internacional sobre Ciencia y Tecnología de la Zirconia . Avances en Cerámica. Vol.  11. Columbus, OH: American Ceramic Society.
  • Guía de bolsillo del NIOSH sobre riesgos químicos