Dióxido de circonio ( ZrO
2), a veces conocida como zirconia (que no debe confundirse con el circón ), es un óxido cristalino blanco de zirconio . Su forma más natural, con una estructura cristalina monoclínica , es el mineral baddeleyita . Una zirconia cúbica estructurada estabilizada dopante [ aclaración necesaria ] , la zirconia cúbica , se sintetiza en varios colores para su uso como piedra preciosa y simulador de diamante . [1]
La zirconia se produce calcinando compuestos de zirconio, aprovechando su alta termoestabilidad . [2]
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 estabilizan 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 de seis coordenadas en todas las fases, la zirconia monoclínica consta de centros de zirconio de siete coordenadas. Esta diferencia se atribuye al mayor tamaño del átomo de zirconio en relación con el átomo de titanio. [4]
La zirconia no es químicamente reactiva. Es atacada lentamente por ácido fluorhídrico concentrado y ácido sulfúrico . Cuando se calienta con carbón, se convierte en carburo de zirconio . Cuando se calienta con carbón en presencia de cloro, se convierte en cloruro de zirconio (IV) . Esta conversión es la base para la purificación del metal zirconio y es análoga al proceso Kroll .
El dióxido de zirconio es uno de los materiales cerámicos más estudiados . El ZrO 2 adopta una estructura cristalina monoclínica a temperatura ambiente y pasa a tetragonal y cúbica a temperaturas más altas. El cambio de volumen causado por las transiciones de estructura de tetragonal a monoclínica a cúbica induce grandes tensiones, lo que hace que se agriete al enfriarse a altas temperaturas. [5] Cuando la zirconia se mezcla con otros óxidos, las fases tetragonal y/o cúbica se estabilizan. Los dopantes efectivos incluyen óxido de magnesio (MgO), óxido de itrio ( Y 2 O 3 , itria), óxido de calcio ( CaO ) y óxido de cerio (III) ( Ce 2 O 3 ). [6]
La zirconia es a menudo más útil en su estado de fase "estabilizada". Al calentarse, la zirconia sufre cambios de fase disruptivos. Al añadir pequeños porcentajes de itria, se eliminan estos cambios de fase y el material resultante tiene propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas superiores. En algunos casos, la fase tetragonal puede ser metaestable . Si hay cantidades suficientes de la fase tetragonal metaestable, entonces una tensión aplicada, magnificada por la concentración de tensión en la punta de una grieta, puede hacer que la fase tetragonal se convierta en monoclínica, con la expansión de volumen asociada. Esta transformación de fase puede entonces poner la grieta en compresión, retardando su crecimiento y mejorando la tenacidad a la fractura . Este mecanismo, conocido como endurecimiento por transformación , extiende significativamente la confiabilidad y la vida útil de los productos fabricados con zirconia estabilizada. [6] [7]
La banda prohibida de ZrO 2 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 policristal de zirconia tetragonal , o TZP, que es indicativo de zirconia policristalina compuesta únicamente por la fase tetragonal metaestable.
El uso principal de la zirconia es en la producción de cerámicas duras, como en odontología, [9] con otros usos que incluyen como recubrimiento protector en partículas de pigmentos de dióxido de titanio , [2] como material refractario , en aislamientos , abrasivos y esmaltes .
El zirconio estabilizado se utiliza en sensores de oxígeno y membranas de celdas 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) lo convierte en uno de los electrocerámicos más útiles . [2] El dióxido de zirconio 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 alto κ que se encuentra en innumerables componentes.
La muy baja conductividad térmica de la fase cúbica de zirconia también ha llevado a su uso como revestimiento de barrera térmica , o TBC, en motores a reacción y diésel para permitir el funcionamiento a temperaturas más altas. [10] Termodinámicamente, cuanto mayor sea la temperatura de funcionamiento de un motor, mayor será la eficiencia posible . Otro uso de 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. [11] [12] La zirconia estabilizada con itria (óxido de itrio), conocida como zirconia estabilizada con itria , se puede utilizar como un material de base fuerte en algunas restauraciones de coronas de cerámica completas. [12] [13]
La zirconia endurecida por transformación se utiliza para fabricar cuchillos de cerámica . [14] Debido a su dureza, los cubiertos con filo de cerámica se mantienen afilados durante más tiempo que los productos con filo de acero. [15]
Debido a su infusibilidad y brillante luminosidad cuando estaba incandescente , se usaba como ingrediente de barritas para luces de calco . [ cita requerida ]
Se ha propuesto que el zirconio electrolice el monóxido de carbono y el oxígeno de la atmósfera de Marte para proporcionar combustible y oxidante que se pueda utilizar como reserva de energía química para su uso en el transporte de superficie en Marte. Se han sugerido motores de monóxido de carbono/oxígeno para su uso en el transporte de superficie en las primeras etapas, ya que tanto el monóxido de carbono como el oxígeno se pueden producir directamente mediante la electrólisis del zirconio sin necesidad de utilizar ninguno de los recursos hídricos marcianos para obtener hidrógeno, que sería necesario para la producción de metano o cualquier combustible basado en hidrógeno. [16]
La zirconia puede utilizarse como fotocatalizador [17] ya que su alto ancho de banda (~5 eV) [18] permite la generación de electrones y huecos de alta energía. Algunos estudios han demostrado la actividad de la zirconia dopada (para aumentar la absorción de luz visible) en la degradación de compuestos orgánicos [19] [20] y la reducción de Cr(VI) de las aguas residuales. [21]
La zirconia también es un material dieléctrico potencial de alto κ con posibles aplicaciones como aislante en transistores .
La zirconia también se emplea en la deposición de recubrimientos ópticos ; es un material de alto índice que se puede utilizar desde el ultravioleta cercano hasta el infrarrojo medio , debido a su baja absorción en esta región espectral. En tales aplicaciones, normalmente se deposita mediante PVD . [22]
En la fabricación de joyas, algunas cajas de relojes se anuncian como de "óxido de circonio negro". [23] En 2015, Omega lanzó un reloj completamente de ZrO 2 llamado "The Dark Side of The Moon" [24] con caja, bisel, pulsadores y cierre de cerámica, publicitándolo 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 un 1 % de óxido de circonio (también conocido como zirconia ) en lugar de un 2 % de torio tienen una buena capacidad de arranque de arco y de corriente, y no son radiactivos. [25]
Los cristales individuales de la fase cúbica de zirconia se utilizan comúnmente como simuladores de diamantes en joyería . Al igual que el diamante, la zirconia cúbica tiene una estructura cristalina cúbica y un alto índice de refracción . Es difícil distinguir visualmente una gema de zirconia cúbica de buena calidad de un diamante, y la mayoría de los joyeros tendrán un comprobador de conductividad térmica para identificar la zirconia cúbica por su baja conductividad térmica (el diamante es un muy buen conductor térmico). Los joyeros suelen llamar a este estado de zirconia cúbica , CZ o circón , pero el apellido no es químicamente preciso. El circón es en realidad el nombre mineral del silicato de zirconio (IV) ( ZrSiO 4 ) natural .