ジルコニア

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ジルコニア
識別情報
CAS登録番号 1314-23-4
特性
化学式 ZrO2
モル質量 123.22 g/mol
外観 白色粉末
密度 5.68 g/cm3, 固体
融点

2715 ℃

沸点

4300 ℃

屈折率 (nD) 2.13
構造
結晶構造 単斜晶系(常温)
※写真は立方晶ジルコニア
熱化学
標準生成熱 ΔfHo –1080 kJ/mol
標準モルエントロピー So 50.3 J K−1 mol−1
特記なき場合、データは常温 (25 °C)・常圧 (100 kPa) におけるものである。

ジルコニア(二酸化ジルコニウム、化学式:ZrO2)は 、ジルコニウム酸化物である。常態では白色固体融点が2700℃と高いため、耐熱性セラミックス材料として利用されている。また、透明ダイヤモンドに似て高い屈折率を有することから模造ダイヤとも呼ばれ、宝飾品としても用いられている。

天然にはバッデレイ石英語版として産出する。

結晶構造と機械的性質[編集]

ジルコニアは室温では単斜晶系であり、1170℃で正方晶、2370℃で立方晶へと結晶構造相転移する[1]。この相転移は体積変化を伴うため、焼結体は昇降温を繰り返すことによって破壊に至る。特に単斜晶から正方晶への相転移では、約4%の体積収縮が見られる。

ジルコニアに酸化カルシウム酸化マグネシウム、あるいは酸化イットリウムなどの希土類酸化物を固溶させると、構造中に酸素空孔 (Vacancy) が形成され[2]、立方晶および正方晶が室温でも安定、または準安定となり、昇降温による破壊を抑制することが出来る[3]。このような酸化物(安定化剤と呼ぶ)を添加したジルコニアのことを安定化ジルコニア(stabilized zirconia) または部分安定化ジルコニア (partially stabilized zirconia) と呼ぶ。

安定化ジルコニア[編集]

安定化ジルコニアは、酸化物無添加ジルコニアに比べて強度、及び靭性などの機械的特性に優れる。これは、破壊の原因となる亀裂の伝播を正方晶から単斜晶への相変態によって阻害し、亀裂先端の応力集中を緩和するからである。この特異なメカニズムを「応力誘起相変態強化機構」と言い、最大で正方晶の約40%が単斜晶に変態する。また、変態を完全に抑制した完全安定化ジルコニアよりも、添加剤の量を減らしてわずかに変態出来るようにした部分安定化ジルコニアの方が機械的特性に優れることが知られている。

安定化ジルコニア(特にイットリア安定化ジルコニア (YSZ))はイオン伝導性に優れており、高温で固体電解質となり、燃料電池や酸素センサの材料として用いられる。また近年、金属に変わる差し歯やブリッジの歯科治療材料としても着目されており、需要が増えている。

立方晶ジルコニア[編集]

ジルコニアにイットリウム、カルシウム、マグネシウム、ハフニウムなどを4 - 15%程度添加した安定化ジルコニアは、立方晶安定化ジルコニア、あるいは単に立方晶ジルコニア英語版 (cubic zirconia, CZ) と呼ばれる。

立方晶ジルコニアは、モース硬度が8から8.5とコランダムサファイヤルビー)に次いで硬く、また、ダイヤモンドと同程度の高い屈折率を持つため、宝飾品に用いる。

当初は、「模造ダイヤモンド」と呼ばれていた。1カラットあたり1ドル以下と安価で、比較的大型の結晶も得られ、金属元素の添加で赤、橙、青、緑、ピンク、琥珀色など様々な色のCZが得られる。

参考文献[編集]

  1. ^ R. Stevens, 1986. Introduction to Zirconia. Magnesium Elektron Publication No 113
  2. ^ Ralph Nielsen "Zirconium and Zirconium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a28_543
  3. ^ Platt, P.; Frankel, P.; Gass, M.; Howells, R.; Preuss, M. (November 2014). “Finite element analysis of the tetragonal to monoclinic phase transformation during oxidation of zirconium alloys”. Journal of Nuclear Materials 454 (1–3): 290–297. doi:10.1016/j.jnucmat.2014.08.020. 

関連項目[編集]