Tsirkooniumdioksiid

Tsirkooniumdioksiid (ZrO₂), mida tuntakse ka tsirkoonia nime all, on tsirkooniumi valge kristalliline oksiid, Mohsi skaalal kõvadusega 8, tihedusega 5890 kg/m³ (monokliinsel faasil, on mõneti teistsugune stabiliseeritud faasidel), molaarmassiga 123,218 g/mol. Tsirkooniumdioksiid on üks enim uuritud keraamilisi materjale, mille hind varieerub olenevalt tellimishulgast kolmest kuni saja dollarini kilogrammi kohta.

Esinemine

Looduses esineb ta haruldase mineraali baddeleiidina, millel on monokliinne kristalliline struktuur. Ajalooliselt oli suurim baddeleiidi allikas Lõuna-Aafrika Vabariik, kus seda saadi kõrvalsaadusena vase, uraani ja fosfaatide kaevandamisel. Väiksemaid leiukohti on Venemaal ja Brasiilias, aga nende maagi suure ebapuhtuse ja radioaktiivsete lisandite tõttu ei peeta neid nii perspektiivseteks kui Lõuna-Aafrika omasid. Seda esinemisvormi tuntakse ka kuubilise tsirkooniana, mida sünteesitakse mitmesugustes värvides, et neid kasutada teemantide ja teiste vääriskivide odavate asemikena, kuna tsirkooniumoksiid on keemiliselt inertne, kõva, suure purunemis- ja kulumiskindlusega ning suure optilise murdumisnäitajaga 2,13 (võrdluseks teemandil 2,4). Kahjuks on kaevandustegevus Lõuna-Aafrikas seiskunud ja seetõttu on baddeleiidi ülemaailmne kättesaadavus oluliselt langenud. Kogused, mis aastas saadakse, on küllalt väikesed, et kõrvaldada baddeleiit mõistliku tsirkooniumdioksiidi allikana maailmaturult. Enamikku maailmast varustatakse nüüd sünteetilise tsirkooniumdioksiidiga. Peale baddeleiidi esineb tsirkooniumdioksiid veelgi haruldasema kuubilise mineraali tazheraniidina.

Tootmine

Tsirkooniumdioksiidi toodetakse näiteks tsirkooniumi ühendite kaltsineerimisel ehk tooraine purustamisel ja lagundamisel tugeval tulel ja põletamisel, avaliselt lahtises anumas, kasutades ära tema suurt stabiilsust kõrgetel temperatuuridel. Kasutatakse ka plasmat ja keemilisi protsesse.

Kristallstruktuur

Toatemperatuuril on tal monokliinne kristalliline struktuur, aga kõrgemal temperatuuril muutub see tetragonaalseks (vahemikus 1170 kuni 2370 °C) ja kuubiliseks (temperatuuril üle 2370 °C). Kristallstruktuuri muutumine toob ruumala muutusega kaasa suured sisepinged, mis tingib ZrO₂ pragunemise, kui seda kõrgelt temperatuurilt jahutatakse. Tetragonaalset ja kuubilist faasi saab stabiliseerida, kui tsirkooniale lisada muid oksiide, eriti tõhusaks on osutunud magneesiumoksiid, kaltsiumoksiid ja tseerium(III)oksiid.

Omadused ja nende rakenduslik pool

Tsirkooniumdioksiidil on väga väike soojusjuhtivus, mis teeb temast suurepärase soojusisolaatori, millega katta diisel- ja reaktiivmootoreid, et nende kasutegurit suurendada. Samuti kasutatakse ZrO₂ nende omaduste tõttu sulametallidega kokku puutuvates seadmetes.
Hea ioonse elektrilise juhtivuse tõttu (kõrgetel temperatuuridel on tal omadus lubada hapniku ioonidel oma kristallstruktuuris vabalt liikuda) on tsirkooniumdioksiid leidnud kasutust lambdaandurites ja kütuseelementide ioonjuhtivate membraanidena.
Suurim probleem metallnugade ja -kääridega on nende lõiketerade nürinemine, kui neid kasutada sitkete ja kõvade materjalide, näiteks kevlari lõikamiseks. Tsirkoonia säilitab sellistes olukordades teravuse ja seetõttu on neil pikem kasutuskeskus.
Materjali keemiline inertsus vähendab nakkuse ohtu füsioloogilises keskkonnas, mistõttu on ta leidnud laialdast kasutust meditsiinis implantaadimaterjalina. Tsirkooniumkeraamikat kasutatakse puusaliigese implantaatides, suure tugevuse ja sitkuse tõttu saab teha need väiksemad ja omakorda suurendada nende liikumisnurka. Keemiline reageerimatus tuleb kasuks ka keemiliselt agressiivsete ja abrasiivsete vedelike pumpades.
Ütriumiga stabiliseeritud tetragonaalse tsirkoonia polükristallil on unikaalne võime panna piir pragude kasvamisele. See on võimalik tänu tema võimele muutuda ühest kristallilisest faasist teise. Sellega kaasnev ruumala suurenemine peatab mõra ja edasise pragunemise. Seda materjali saab kasutada nii suurtel kui ka miniatuursetel restaureerimistöödel. Kasutusel on ta hambaravis hambakroonidena, kuigi kahjuks on veel vähe kliiniliste järelkontrollide andmeid, eriti pikaajaliste täiskeraamiliste ZrO₂ proteeside kohta.