jueves, 26 de mayo de 2011

Óxido de circonio. Propiedades y aplicaciones


 El circonio (Zr) tiende a ligarse con el oxígeno y por ello una de las formas más habituales de encontrarlo en la naturaleza es formando óxido de circonio ZrO2. Debemos tener en cuenta que debido a sus propiedades químicas muy similares al hafnio (Hf), el ZrO2 suele ser combinación de ambos óxidos.
 Al ZrO2 se le conoce con varios nombres: óxido de circonio, dióxido de circonio o circona. Si está en su forma cristalina se llama circonia cúbica o circonita.

PROPIEDADES

 Propiedades físicas:
  • Elevada dureza
  • Su módulo elástico (similar al acero)
  • Su bajo coeficiente de fricción
  • Alta temperatura de fusión
  • Una tenacidad relativamente alta comparada con otros materiales cerámicos
  • Es estable en medios químicamente agresivos, presenta buena R de desgaste y corrosión
  • Resistente a altas temperaturas y a la abrasión
  • Coeficiente expansión térmico similar al Fe
  • Baja conductividad térmica
  • Aislante térmico
  • Superplasticidad (propiedad que tiene un material de presentar una gran elongación sin fracturarse o aptitud de un material para deformarse permanentemente sin romperse)

 Propiedades químicas:
  • Polvo blanco
  • Masa molecular: 123.218 g/mol
  • Punto de fusión de 2715 °C
  • Soluble en HF, y HSO4, HNO3, HCl en caliente
  • Densidad: 5.68 g/cm3
  • Índice de refracción: 2.13



La circona pura se presenta en tres formas polimórficas en función de la temperatura: a) cúbica, b) tetragonal y c) Monoclínica

 

a) Fase cúbica: es una fase estable a una temperatura comprendida entre 2370ºC hasta la temperatura de fusión que es aproximadamente a 2680ºC. Tiene una estructura en donde  cada ión de Zr4+ está coordinado con ocho iones de oxigeno equidistantes y a su vez, cada ion de oxígeno está coordinado tetraédricamente con cuatro iones de Zr4+ similar a una estructura fluorita con los iones de Zr4+ formando una subred cúbica centrada en las caras (fcc) y los iones de oxígeno formando una subred cúbica simple.
b) Fase tetragonal: es una fase estable a temperaturas que oscila entre 1170 -1200ºC a 2370ºC. Posee una estructura donde cada ión Zr4+ está rodeado por ocho iones de oxígeno, cuatro de ellos a una distancia de 2.455Å y los otros cuatro a una distancia de 2064Å. Esta estructura es similar a una distorsión de fluorita. Esta fase es importante para que la circona tenga mayor tenacidad.
c) Fase monoclínica: es una fase estable a temperaturas inferiores a 1170-1200ºC. En su estructura los cationes Zr4+ están situados en planos paralelos al 001 y separados por los planos de aniones (O2-). Cada ión Zr4+ está rodeado por siete iones de oxígeno, de tal forma que está coordinado triangularmente con los iones de oxígeno de un plano OI, y tetraédricamente con los iones de oxígeno de un segundo plano OII. El espesor de las capas es mayor cuando los iones de Zr están separados por iones del plano OI  que cuando lo están de los iones de oxígeno del plano OII.
A 2,706 oC se transforma o cristaliza en la fase cúbica.
A 2,370 oC se transforma o cristaliza en la fase tetragonal.
De 1,263 oC a temperatura ambiente se mantiene estable en la fase monoclínica.
Gracias a la adición de ciertos óxidos metálicos como dopantes, los cuales deben presentar estructuras cristalinas cúbicas del tipo fluorita y alta solubilidad en la circonia, es posible estabilizar el material en las formas tetragonal y cúbica a temperatura ambiente (evitando así la transformación tetragonal–monoclínica). 
Adicionalmente, la circonia dopada presenta una mejora considerable en sus propiedades mecánicas y de conductividad, lo cual permite que éstas sean explotadas en muchas aplicaciones.Añadiendo oxido de itrio (Y2O3) en un porcentaje de peso de 5, esta fase (tetragonal–monoclínica) se estabiliza, y al añadir oxido de aluminio al 0,2–1%, mejora la resistencia a la corrosión y al envejecimiento del material.

 
Circona estabilizada



APLICACIONES

Tradicionales (Cerámicas con ZrO2):
  • Refractarios
  • Pigmentos en pinturas
  • Abrasivos
Técnicas (ZrO2 puro):
  • Piezas resistentes al desgaste (cuchillos y tijeras)
  • Piezas resistentes a corrosión (válvulas, sellantes, bombas)
  • Piezas en procesos de conformado a T y P
  • Recubrimientos (de componentes motores aeroespaciales)
  • Biomateriales (Prótesis de cadera)
  • Electrónicas (Electrolitos sólidos)
  • Joyería (circonitas)

Cuchillos y tijeras

 Uno de los problemas importantes que tienen los cuchillos y tijeras de metal es que cuando se enfrentan a materiales resistentes como el Kevlar o al cortar grandes cantidades de papel (que a menudo contienen trazas de minerales) es la abrasión o desgaste del filo de corte. Los materiales de circona duran más tiempo.
Otras aplicaciones similares son las láminas para el corte de hojas de plástico, cinta magnética y otros materiales duros o abrasivos. También se utiliza en herramientas de corte y en discos abrasivos.

Válvulas, sellantes y bombas

El manejo y transporte de mezclas y productos químicos agresivos presentan graves problemas. Las altas temperaturas y el flujo de alta presión conducen a condiciones muy reactivas y abrasivas. El dióxido de circonio puede ayudar debido a su gran resistencia química.

Difusión del sistema ZrO2 ∙Y2O3

La circona estabilizada con óxidos aliovalentes resulta ser un excelente conductor iónico. Esto es debido a la gran cantidad de vacantes de oxígenos introducidas por tales impurezas, de forma que los átomos de oxígeno tienen una alta probabilidad de saltar entre nudos reticulares cercanos.
 


Implantes ortopédicos

Se utiliza como un componente de la cabeza femoral en implantes de cadera. Por su alta resistencia y alta dureza permite la articulación de la cadera. La capacidad de poder ser pulido con un buen acabado superficial es otra de sus ventajas para ser usado en estos implantes.

La inercia química del óxido con el medio fisiológico reduce el riesgo de infección. Por esta razón, sólo circonias fabricadas con materiales de baja radiactividad se puede utilizar en esta aplicación.

Aplicaciones refractarias

El polvo de circonio (monoclínica y parcialmente estabilizado) se utiliza en composiciones refractarias para mejorar la resistencia al choque térmico y la resistencia a la abrasión. Estos materiales se en las placas de la puerta corredera para el paso del acero, y en aplicaciones de baño de acero.

Aplicaciones Electrónicas

Las aplicaciones electrónicas y eléctricas del circonio se basan en la alta conductividad electrónica y la alta conductividad de iones oxígeno del material estabilizado por completo.
Esto permite que el material que se use como: elementos de calefacción, sensores de oxígeno que se basan en la célula de Nernst y en electrolitos en las células de combustible de óxido sólido.


Piedras preciosas sintéticas


Por la fusión de circonio con dopantes y recristalizando al enfriarse, las piedras preciosas que se pueden producir simulan diamantes, rubíes, topacios y esmeraldas. Estos materiales son los que denominamos circonias cúbicas.
 
Circonitas

MINERALES DEL ZrO2

Los minerales que contienen óxido de circonio son la baddeleyita (ZrO2 monoclínico impuro) y el zircón (ZrO2∙SiO2).
La baddeleyita es un mineral poco frecuente que se encuentra como mineral agregado a otros en diversos ambientes, tales como rocas volcánicas alcalinas, carbonatitas, rocas básicas y rocas lunares.
La fuente principal del baddeleyita mineral se localiza en África del  Sur y pueden encontrarse depósitos menores en la Rusia y Brasil, pero estas fuentes no son consideradas tan viables como la fuente Surafricana debido a los niveles más altos de impurezas y rastros radiactivos.
La baddeleyita  se emplea para fabricar crisoles de laboratorio (que soportan cambios bruscos de temperatura), en recubrimiento de hornos y como material refractario en industrias de cerámicas y de vidrio.

Estructura baddeleyita






 En definitiva, aproximadamente el 95% de todo el circonio que consumidos está en la forma de circón, óxido de circonio, u otros compuestos químicos de circonio. Las calidades del circón disponibles comercialmente tienen un mínimo del 64.5-66% de dióxido de circonio (ZrO2), mientras que las calidades de baddeleyita tienen  un mínimo del 96-99% de ZrO2.
 El dióxido de circonio es uno de los materiales cerámicos más estudiados. Es muy utilizado en la industria
aeroespacial y cerámica; como revestimiento de elementos combustibles en plantas nucleares; en joyería y en la industria fotográfica o electrónica, etc. En medicina ha ganado gran aceptación en implantes articulares, y desde hace menos de una década va instalándose de forma prometedora en odontología, básicamente como: componente de subestructuras de coronas y puentes, carillas trabajadas con cerámica de revestimiento; material para postes intrarradiculares; componente de aditamentos implantológicos; o como elemento utilizado en laboratorio dental, en bases refractarias, por ejemplo. Pero recientemente su uso ha ido
más allá de lo imaginable, y actualmente podemos encontrar sistemas de implantes tipo monoblock de circonio o un sistema híbrido de implantes que constan de una plataforma de circonio unida a un cuerpo
implantológico de titanio.





BIBLIOGRAFÍA

Holleman-Wiberg's Inorganic Chemistry, Nils Wiberg. Edition 34th 1995, Alemania
Inorganic Structural Chemistry Editorial Wiley Second Edition Autor Ulrich Müller
http://www.scielo.org.ar/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0004-48222009000300017










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