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ⓘ Ossido di zirconio




Ossido di zirconio
                                     

ⓘ Ossido di zirconio

A temperatura ambiente si presenta come una polvere bianca inodore. È una sostanza cristallina polimorfa. Fino a 1170 °C presenta struttura cristallina monoclina. Da 1170 °C a 2370 °C presenta struttura cristallina tetragonale. Oltre 2370 °C presenta struttura cristallina cubica. Il punto di fusione è 2680 °C.

Durante il riscaldamento la trasformazione dalla struttura monoclina alla struttura tetragonale avviene con una contrazione volumetrica di circa il 5%.

Durante il raffreddamento la trasformazione inversa dalla struttura tetragonale alla struttura monoclina è di tipo martensitico ed avviene con una espansione volumetrica.

                                     

1. Polimorfismo della zirconia

Lespansione volumetrica nella trasformazione dalla fase tetragonale a quella monoclina è poco significativa sulle polveri libere di zirconia, ma ha importanti conseguenze quando si ha a che fare con un verde polveri compattate. In questo caso infatti durante la sinterizzazione del verde avviene la trasformazione della zirconia dalla fase monoclina a quella tetragonale con la conseguente contrazione volumetrica sommata alla contrazione volumetrica che il processo di sinterizzazione di per sé comporta. Durante il raffreddamento si ha la trasformazione inversa, da fase tetragonale a monoclina, con conseguente espansione volumetrica che in un pezzo massivo comporta formazione di cricche fino a rottura. La formazione delle cricche in fase di raffreddamento, con conseguente rottura del pezzo, viene evitata impedendo la trasformazione della struttura tetragonale in una struttura monoclina, ovvero la forma tetragonale normalmente stabile solo ad alte temperature viene resa stabile a temperatura ambiente grazie allaggiunta di particolari additivi: si tratta di ossidi refrattari come lossido di calcio, di magnesio o littria. Si ottiene con laggiunta di questi additivi una zirconia "parzialmente stabilizzata".

La zirconia parzialmente stabilizzata presenta un particolare meccanismo di tenacizzazione:

  • Quando avviene l"incontro" il grano di zirconia tetragonale assorbe lenergia della cricca e la utilizza per trasformarsi in un grano di zirconia monoclina espandendosi
  • La trasformazione della zirconia ha bloccato la propagazione della cricca: per questo motivo la zirconia parzialmente stabilizzata viene usata come tenacizzante di componenti ceramici, come lallumina, ad esempio nelle artroprotesi.
  • Quando una cricca si propaga nel pezzo massivo può incontrare dei grani di zirconia tetragonale che a temperatura ambiente è metastabile ovvero esiste solo grazie allaggiunta degli additivi, altrimenti sarebbe stabile solo ad alte temperature
                                     

2. Usi della zirconia

Luso principale della zirconia è nella produzione di ceramiche, ma vi sono molti ulteriori altri usi compreso il rivestimento protettivo su particelle di pigmenti di biossido di titanio, come materiale refrattario nellisolamento termico, come abrasivo e smalto. La zirconia stabilizzata viene utilizzata nelle sonde lambda e nelle membrane delle celle a combustibile, grazie alla sua capacità di permettere agli ioni ossigeno di muoversi liberamente attraverso la struttura cristallina ad alte temperature. Questa alta conducibilità ionica ed una bassa conduttività elettronica la rende una delle elettroceramiche più utili. Il biossido di zirconio è anche usato come elettrolita solido in dispositivi elettrocromici.

La zirconia è un precursore dellelettroceramica piombo-zirconato di titanio PZT, che è un dielettrico ad alto K, che si trova in una miriade di componenti.

                                     

2.1. Usi della zirconia Usi di nicchia

La conduttività termica molto bassa nella fase cubica della zirconia ha permesso il suo utilizzo anche come barriera di rivestimento termica, nei motori a reazione e nei motori diesel.

La zirconia è un materiale molto utilizzato anche in odontoiatria per la realizzazione di restauri dentali, come corone e ponti, che vengono poi ricoperti con porcellana feldspatica convenzionale per ragioni estetiche, oppure possono essere realizzate intere protesi dentarie estremamente resistenti costruite interamente da ossido di zirconio monolitico. Ciò è reso possibile dal fatto che è un materiale adatto alla fresatura e, come già detto, che permette un buon fattore estetico, soprattutto in termini di traslucenza. Inoltre è notevole la sua resistenza alla flessione e la resistenza alla rottura, permettendo di apportare spessori di ceramica che arrivano sino a meno di 0.6 millimetri e di costruire ponti estesi, leggeri e robusti, anche con più elementi dentari mancanti. Gli elementi protesici di zirconio vengono sempre più spesso realizzati tramite tecnologia CAD/CAM.

Nellortopedia, gli ossidi ceramici, come la zirconia, grazie alla loro eccellente biocompatibilità e resistenza allusura vengono utilizzati nella realizzazione di componenti articolari come lanca e il ginocchio.

Per via della sua durezza, la zirconia può essere utilizzata per realizzare coltelli di ceramica. Le posate di zirconia hanno una resistenza equivalente allacciaio inox.

Negli anni 50 vennero sviluppate lampade a scarica con elettrodi di zirconia che ha alta conducibilità ionica, ma non elettronica anziché di tungsteno, allo scopo di migliorare lemissione spettrale, producendo una luce più bianca e brillate, ma furono ben presto superate dalle lampade a vapori di mercurio.

A partire dalla seconda generazione, la zirconia è utilizzata da Apple come materiale per la produzione della cassa di Apple Watch Edition, prendendo il posto delloro. La polvere di zirconia è unita ad uno sbiancante ossido di alluminio e lavorata per sinterizzazione.

Luso della zirconia è stato proposto per lelettrolisi di monossido di carbonio e ossigeno dallatmosfera di Marte per fornire sia combustibile che ossidante come riserva di energia chimica per le missioni marziane.

Lalta capacità dielettrica della zirconia ha potenziali applicazioni anche come isolante nei transistor.

La zirconia è anche impiegata nella deposizione di rivestimenti ottici. In tali applicazioni, è tipicamente depositato mediante deposizione fisica da vapore.