زیرکونیای مکعبی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
مکعب دور برش درخشان زیرکونیا

زیرکونیای مکعبی (CZ) به شکل کریستالی مکعب است. دی‌اکسید زیرکونیوم (ZrO2) مادۀ سنتز شدۀ سخت و معمولاً بی‌رنگ است؛ اما ممکن است در رنگ‌های مختلفی تولید شود. این ماده نباید با زیرکون که یک سیلیکات زیرکونیوم است (ZrSiO4) اشتباه گرفته شود. گاهی نام این ماده را به اشتباه زیرکونیوم مکعب می‌گویند.

جنبه‌های تکنیکی[ویرایش]

زیرکونیای مکعبی کریستالوگرافی ایزومتریک می‌باشد، یک از ویژگی های مهم این ماده، شبیه‌ساز الماس است. اکسید زیرکونیوم در طول سنتز، به‌طور طبیعی کریستال‌های مونوکلینیک را تشکیل می‌دهد، که فرم پایدار آن در شرایط جوی طبیعی است. برای تشکیل کریستال‌های مکعب یک تثبیت کننده در دماهای معمولی پایدار لازم است. این ماده، ممکن است به‌طور معمول اتریم یا اکسید کلسیم باشد، مقدار تثبیت کننده مورد استفاده بستگی به دستور العمل‌های تولیدکنندگان دارد؛ بنابراین، خصوصیات فیزیکی و نوری CZ سنتز شده متفاوت است و همه مقادیر محدود هستند. بیشترین کاربرد آن در صنعت زیورآلات نقره و بدل و گاهی طلا به‌جای الماس استفاده می‌شود چرا که قیمت الماس اصل، بسیار بالا بوده و به خاطر قدرت خرید مردم از نگین زیرکونیا استفاده می‌کنند تا هزینه نهایی، کاهش یابد.

تاریخچه[ویرایش]

زرد کانی مونوکلین (baddeleyite)در سال ۱۸۹۲ کشف شده که صورت طبیعی از اکسید زیرکونیوم است.[۱]

نقطه ذوب بالای زیرکونیا (۲۷۵۰ درجه سانتیگراد یا ۴۹۷۶ درجه فارنهایت) مانع رشد کنترل شده بلورهای منفرد می‌شود. با این حال، تثبیت اکسید مکعب زیرکونیوم خیلی زود تحقق یافته و بعنوان محصول مصنوعی زیرکونیا (در سال ۱۹۲۹) معرفی شد. اگرچه زیرکونیا مکعب شکل است، اما به حالت سرامیک چند کریستالی است.

از سرامیک چند کریستالی به عنوان ماده دیرگداز استفاده می‌شد. این ماده در برابر مواد شیمیایی و حرارت بسیار مقاوم است (حداکثر ۲۵۴۰ درجه سانتیگراد یا ۴۶۰۴ درجه فارنهایت).

در سال ۱۹۳۷، کانی شناسان آلمانی M. V. Stackelberg و K. Chudoba زیرکونیا را (که به صورت دانه‌های میکروسکوپی موجود در زیرکون metamict وجود دارد) کشف کردند. تصور می‌شد این محصول، نتیجه فرایند متامیزاسیون باشد، اما این دو دانشمند فکر نمی‌کردند که این ماده معدنی، به اندازه ای اهمیت داشته باشد که نام رسمی برای آن انتخاب کنند. این کشف، از طریق پراش پرتوی ایکس تأیید شد و اثبات وجود یک همتای طبیعی با محصول مصنوعی است.[۲][۳]

سنتز[ویرایش]

کارگر بر ذوب اکسید زیرکونیوم و اکسید اتریم نظارت دارد تا مکعب زیرکونیا در یک «کراول» القایی گرم شده ساخته شود.

در حال حاضر روش اصلی سنتز زیرکونیای مکعبی که توسط تولیدکنندگان استفاده می‌شود، ذوب جمجمه است. این روش توسط Joseph F. Wenckus و همکاران (۱۹۹۷) ثبت اختراع شد. این امر، عمدتاً به دلیل فرایندی برای دستیابی به دمای بیش از ۳۰۰۰ درجه و همچنین، عدم تماس بین مواد و ظرف ذوب می‌باشد. از معایب اصلی این روش، می‌توان به عدم توانایی در پیش‌بینی اندازه بلورهای تولید شده و کنترل فرایند تبلور از طریق تغییر دما اشاره کرد.

دستگاه مورد استفاده در این فرایند، شامل یک ظرف می‌باشد که توسط کویل‌های مسی با فرکانس رادیویی (RF) و یک سیستم خنک‌کننده آب احاطه شده‌است.[۴][۵]

دی‌اکسید زیرکونیوم که با یک تثبیت کننده (معمولاً ۱۰٪ اکسید اتریم) به‌طور کامل مخلوط می‌شود در یک مایع بخور سرد تغذیه می‌شود. تراشه‌های فلزی زیرکونیوم یا تثبیت کننده با روشی خاص(compact pile manner) وارد مخلوط پودر می‌شوند. ژنراتور RF روشن می‌شود و تراشه‌های فلزی به سرعت شروع به گرم شدن می‌کنند و به راحتی در زیرکونیا اکسیده می‌شوند. در نتیجه، پودر با هدایت حرارتی گرم می‌شود، شروع به ذوب شدن می‌کند و رسانای الکتریکی می‌شود. در ادامه، این ماده از طریق ژنراتور RF شروع به گرم شدن می‌کند. این کار ادامه می‌یابد تا زمانی که کل محصول مذاب شود. به علت وجود سیستم خنک‌کننده اطراف مایع، پوسته ای نازک از مواد جامد ساخته شده تشکیل می‌شود. این باعث می‌شود زیرکونیای مذاب در پودر خود باقی بماند، از آلودگی در امان باشد و گرما کاهش یابد. این مذاب برای اطمینان از همگن بودن و اطمینان از تبخیر همه ناخالصی‌ها، برای چند ساعت در دمای بالا باقی می‌ماند. سرانجام، کل ظرف را به آرامی از سیم پیچ‌های RF خارج می‌کنیم تا گرمایش کاهش یابد و بگذارید آرام آرام (از پایین به بالا) خنک شود. نرخی که در آن محلول از کویل‌های RF برداشته می‌شود، به عنوان تابعی از پایداری تبلور که برگرفته از نمودار انتقال فاز است. این روند تبلور را آغاز می‌کند و کریستال‌های مفید شروع به شکل‌گیری می‌کنند. پس از خنک شدن کامل ظرف تا دمای اتاق، بلورهای حاصل چند بلوک کریستالی تغییر طول یافته خواهند بود.[۶][۵]

این تغییر شکل به علت مفهومی بعنوان دژنراسیون بلور شناخته می‌شود. اندازه و قطر کریستالهای بدست آمده تابعی از سطح مقطع کریستال، حجم مذاب و ترکیب مذاب است.[۴] قطر بلورها به شدت تحت تأثیر غلظت تثبیت کننده است.

ناخالص سازی[ویرایش]

به دلیل ظرفیت ایزومورفیک زیرکونیای مکعبی می‌توان آنرا با چندین عنصر تخدیر کرد تا رنگ بلور را تغییر دهد. لیستی از مواد تخدیری و رنگ‌های خاص تولید شده توسط اضافه کردن آنها را می‌توانید در جدول زیر مشاهده کنید.

نام ماده نماد رنگ(ها)
سریم Ce زرد-نارنجی-قرمز
کروم Cr سبز
کبالت Co بنفش-بنفش-آبی
مس Cu زرد-آبی
اربیم Er رنگ صورتی
اروپا Eu رنگ صورتی
اهن Fe رنگ زرد
هولمیوم Ho شامپاین
منگنز Mn قهوه ای بنفش
نئودیمیوم Nd رنگ بنفش
نیکل Ni زرد قهوه ای
پراسودیمیوم Pr کهربا
تولیوم Tm زرد قهوه ای
تیتانیوم Ti قهوه ای طلایی
وانادیوم V سبز

نقص رشد اولیه[ویرایش]

کریستال‌های YCZ (زیرکونیای مکعب یتریوم)، شفافیت بالا و ضریب شکست کمتر از دارند.[۶] اما بعضی از نمونه‌ها دارای نقایصی هستند که رایج‌ترین موارد، در ادامه ذکر خواهد شد.

  • اجزاء فاز پراکندگی نور: ناشی از آلاینده‌های موجود در بلور (در درجه اول رسوب سیلیکات‌ها یا آلومینات‌های اتریم) که به‌طور معمول از نظر اندازه ۰٫۰۳–۱۰ میکرومتر است.
  • تنش‌های مکانیکی: به‌طور معمول ناشی از گرادیان درجه حرارت زیاد در فرایندهای رشد و خنک‌کننده است و باعث می‌شود که کریستال با فشارهای مکانیکی داخلی که بر آن ایجاد می‌شود، شکل بگیرد. این اتفاق، باعث می‌شود که مقادیر شاخص انکسار، حداکثر باشد؛ اگرچه اثر آن می‌تواند با مقاوم‌سازی در ۲۱۰۰ درجه سانتیگراد کاهش یابد و به دنبال آن یک روند خنک‌کننده با سرعتی آرام انجام شود.
  • جابجایی‌ها: مانند فشارهای مکانیکی، جابجایی‌ها می‌توانند تا حد زیادی کاهش یابد.

نوآوری‌ها[ویرایش]

در سالهای اخیر [چه زمانی؟] تولیدکنندگان به دنبال راه‌های تمایز محصول خود، زیرکونیای مکعبی هستند. پوشش زیرکونیای مکعبی، با غشایی از کربن شبه الماس (DLC) یکی از این نوآوری‌ها است.

فرایندی که با استفاده از رسوب بخار شیمیایی انجام می‌شود. ظاهراً مواد حاصل سخت‌تر، براق‌تر و بیشتر شبیه به الماس هستند. تصور می‌شود که این پوشش ضمن خنثی کردن ضریب شکست آن، پاشندگی نوری اضافی زیرکونیا مکعب را کاهش دهد و بیشتر شبیه الماس شود.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Bayanova, T.B. (2006). "Baddeleyite: A promising geochronometer for alkaline and basic magmatism". Petrology. 14 (2): 187–200. doi:10.1134/S0869591106020032.
  2. Stackelberg, M. von; Chudoba, K. (1937). "Dichte und Struktur des Zirkons; II". Zeitschrift für Kristallographie. 97: 252–262.
  3. "Understanding more about Cubic Zirconia". Chic Jewelry. 2013. Archived from the original on 14 December 2013. Retrieved 6 December 2013.
  4. ۴٫۰ ۴٫۱ Dhanaraj, Govindhan; Byrappa, Kullaiah; Prasad, Vishwanath (2010). Springer Handbook of Crystal Growth. Springer. pp.  443–. ISBN 978-3-540-74761-1. Retrieved 1 February 2013.
  5. ۵٫۰ ۵٫۱ Nassau, Kurt (Spring 1981). "Cubic zirconia: An Update". Gems & Gemology. 1: 9–19.
  6. ۶٫۰ ۶٫۱ Lomonova, E. E.; Osiko, V. V. (2004). Growth of Zirconia Crystals by Skull‐Melting Technique. Chichester, West Sussex: J. Wiley. pp. 461–484.

پیوند به بیرون[ویرایش]

Nassau, Kurt (1980). Gems Made by Man. ISBN 0-8019-6773-2.