خصائص السيراميك والهندسة لثاني أكسيد الزركونيوم

يعتبر مركب ثاني أكسيد الزركونيوم من أكثر المواد الخزفية التي تمت دراستها، يحتوي ثاني أكسيد الزركونيوم النقي على هيكل بلوري أحادي الميل في درجة حرارة الغرفة وينتقل إلى رباعي الزوايا ومكعب في درجات حرارة متزايدة، يؤدي تمدد الحجم الناجم عن التحول من مكعب إلى رباعي الزوايا إلى أحادي الميل إلى إحداث ضغوط كبيرة جدًا وسوف يتسبب في تكسير ثاني أكسيد الزركونيوم النقي عند التبريد من درجات الحرارة المرتفعة.

خصائص ثاني أكسيد الزركونيوم

• الزركونيا مفيد جدا في حالته “المستقرة”، في بعض الحالات فإنه من الممكن أن تكون المرحلة الرباعية الزوايا ثابتة، في حالة وجود كميات كافية من الطور رباعي الزوايا غير المستقر، فإن الضغط المطبق والذي يتم تضخيمه بواسطة تركيز الإجهاد عند طرف الشق، يمكن أن يتسبب في تحويل المرحلة الرباعية الزوايا إلى أحادية الميل مع تمدد الحجم المصاحب.

ويمكن أن يؤدي تحول الطور هذا إلى ضغط الكراك مما يؤخر نموه ويعزز صلابة الكسر، وتُعرف هذه الآلية باسم تقوية التحويل وتطيل بشكل كبير موثوقية وعمر المنتجات المصنوعة من الزركونيا المستقرة.

• يتم إضافة العديد من الأكاسيد المختلفة إلى الزركونيا لتحقيق الاستقرار في المراحل الرباعية أو المكعبة: أكسيد المغنيسيوم (MgO) وأكسيد الإيتريوم (Y2O3) وأكسيد الكالسيوم (CaO)، وأكسيد السيريوم (Ce2O3) من بين أمور أخرى.

• هناك حالة خاصة من الزركونيا هي حالة الزركونيا رباعي الزركونيا أو (TZP)، والتي تدل على الزركونيا متعدد الكريستالات المكونة من الطور الرباعي النقيلي فقط، تتميز المرحلة التكعيبية من الزركونيا أيضًا بموصلية حرارية منخفضة جدًا، مما أدى إلى استخدامها كطلاء حاجز حراري أو (TBC) في التوربينات النفاثة ومحركات الديزل للسماح بالتشغيل عند درجات حرارة أعلى، من الناحية الديناميكية الحرارية كلما ارتفعت درجة حرارة تشغيل المحرك زادت الكفاءة الممكنة (انظر محرك كارنو الحراري).

• تم تقديم مجموعة كبيرة من الأبحاث العلمية لتحسين جودة ومتانة هذه الطلاءات، يتم استخدامه كمادة مقاومة للحرارة، وفي العزل والمواد الكاشطة والمينا وطلاء السيراميك.

يتم استعمال الزركونيا المستقرة في مستشعرات الأكسجين وأغشية خلايا الوقود؛ لأنها تتمتع بالقدرة على السماح لأيونات الأكسجين بالتحرك بحرية عبر التركيب البلوري عند درجات حرارة عالية، هذه الموصلية الأيونية العالية (والموصلية الإلكترونية المنخفضة) تجعلها واحدة من أكثر السيراميك الكهربائي فائدة.

• تُصنف الزركونيا أحيانًا على أنها أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة، وتميل إلى أن تصبح أكثر قدرة على التوصيل في درجات الحرارة المرتفعة، يبدأ الزركونيا بمقاومة عالية جدًا في درجة حرارة الغرفة أكبر من 1 تريليون أوم سم، كلما زادت درجة الحرارة يكون أقل من 20000 أوم سم عند 500 درجة مئوية إلى أقل من 1000 أوم سم مقاومة عند 1000 درجة مئوية.

تفقد تقريبًا كل مقاومتها عند حوالي 2000 درجة مئوية، وتصبح موصلة جيدة جدًا، وتعتمد فجوة النطاق له على الطور (مكعب، رباعي الزوايا، أحادي الميل، أو غير متبلور) وطرق التحضير، مع تقديرات نموذجية من 5-7 فولت.

• يمكن أن يحدث ثاني أكسيد الزركونيوم كمسحوق أبيض يمتلك خصائص حمضية وأساسية، ونظرًا لقابليته على الانصهار وإشراقه اللامع عند التوهج، فقد تم استخدامه كعنصر من عناصر العصي للإضاءة، ويعتبر الزركونيا أيضًا مادة عازلة مهمة يتم فحصها للتطبيقات المحتملة كعامل عازل في الترانزستورات في الأجهزة الإلكترونية النانوية المستقبلية.

دور ثاني أكسيد الزركونيوم كبديل للألماس

تُستعمل بلورات أحادية الطور المكعب من الزركونيا بشكل منتشر كبديل للماس في المجوهرات، مثل الماس، يحتوي الزركونيا المكعبة على هيكل بلوري مكعب ومؤشر انكسار عالٍ.

من الصعب تمييز أحجار الزركونيا المكعبة ذات النوعية الجيدة من الماس، وسيكون لدى معظم صائغي المجوهرات جهاز اختبار الموصلية الحرارية لتحديد الزركون المكعب من خلال الموصلية الحرارية المنخفضة (الماس موصل حراري جيد جدًا)، يُطلق على هذه الحالة من الزركونيا اسم “الزركونيا المكعبة” أو “تشيكوسلوفاكيا” أو “الزركون” من قبل الجواهريين.

براءات الاختراع المتعلقة بالزركونيا

في السابع من شهر أغسطس لعام 2006 ميلادي، قدمت شركة (Apple Computer) براءة اختراع من أجل استخدام الزركونيا كغلاف للأجهزة المحمولة، ومن المحتمل أن تحتوي أجهزة (iPod) المستقبلية على أجهزة راديو تعمل بتقنية (Bluetooth) وشبكة لاسلكية واسعة النطاق.

وفي نهاية ذلك فقد يتيح استخدام الزركونيا بدلاً من الفولاذ أو الألومنيوم لخصائص شفافية الراديو إمكانية إخفاء الهوائيات داخليًا في الجهاز، بالإضافة إلى ذلك فمن المعروف أن بعض أجهزة (iPod) ذات الواجهات البلاستيكية يمكن خدشها بسهولة.