زیرکونیوم و بلوک زیرکونیا

زیرکونیوم دی‌اکسید و ساختارهای کریستالی آن

زیرکونیوم دی‌اکسید (ZrO₂)، که بیشتر با نام زیرکونیا شناخته می‌شود، نوعی اکسید کریستالی سفیدرنگ است که از عنصر زیرکونیوم تشکیل شده است. این ماده خواص فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فردی دارد و به شکل‌های کریستالی متفاوتی مانند مونوکلینیک، تتراگونال و مکعبی موجود است.

1. ساختار مکعبی: در این ساختار، ذرات زیرکونیا دارای تقارن مکعبی هستند و این نوع برای کاربردهای خاص مانند سرامیک‌های پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرد.
2. ساختار مونوکلینیک: این ساختار در دماهای پایین پایدار است و بیشتر در طبیعت یافت می‌شود. با افزایش دما به تدریج به ساختارهای دیگر تبدیل می‌شود.
3. ساختار تتراگونال: این ساختار در دماهای میانی پایدار است و برای به‌دست آوردن خواص مکانیکی خاصی مورد توجه قرار می‌گیرد، چرا که می‌تواند با استفاده از افزودنی‌هایی مثل اکسیدهای پایدارکننده، در دمای اتاق نیز پایدار شود.

استخراج زیرکونیوم از زیرکن

زیرکن، یکی از منابع اصلی زیرکونیوم، منبع اصلی برای تولید زیرکونیوم دی‌اکسید است. برای تبدیل زیرکن به زیرکونیا، فرایندهای شیمیایی ویژه‌ای به کار گرفته می‌شوند که به حذف ناخالصی‌ها و جداسازی زیرکونیا کمک می‌کنند. برخی از روش‌های مهم عبارتند از:

• کلریناسیون: این روش شامل واکنش زیرکن با کلر است که باعث تبدیل آن به ترکیبات کلرینه شده و در نتیجه تولید زیرکونیوم دی‌اکسید خالص می‌شود.
• تجزیه با اکسید قلیایی: در این روش، زیرکن با اکسیدهای قلیایی واکنش می‌دهد تا به ترکیبات قابل استخراج تبدیل شود.
• ذوب آهکی: روشی که در آن زیرکن با آهک مخلوط و ذوب می‌شود تا ترکیبات زیرکونیوم جدا شوند.
• جداسازی پلاسما: با استفاده از دمای بالا در پلاسما، زیرکن تجزیه می‌شود و زیرکونیوم دی‌اکسید تولید می‌گردد. این روش می‌تواند فرایند استخراج را سرعت ببخشد، اما نیاز به تجهیزات پیشرفته دارد.

تثبیت چهارضلعی زیرکونیوم

زیرکونیوم  دی‌اکسید بدون افزودنی‌ها در دماهای اتاق ناپایدار است و به ساختار مونوکلینیک تبدیل می‌شود. برای تثبیت ساختار تتراگونال، اکسیدهای پایدارکننده‌ای به آن اضافه می‌شود. برخی از اکسیدهای پرکاربرد برای این کار عبارتند از:

• اکسید منیزیم (MgO): استفاده از این اکسید موجب پایداری بیشتر ساختار تتراگونال می‌شود.
• اکسید کلسیم (CaO): کلسیم به عنوان پایدارکننده استفاده می‌شود و معمولاً در مقادیر کمتر به زیرکونیا افزوده می‌شود.
• اکسید یوتریوم (Y₂O₃): این اکسید یکی از پایدارکننده‌های اصلی زیرکونیا است که برای ایجاد ساختار تتراگونال در دمای اتاق مؤثر است.
• اکسید سریم (Ce₂O₃): این اکسید نیز به تثبیت ساختار تتراگونال کمک می‌کند و به دلیل ویژگی‌های نوری خود، در کاربردهای اپتیکی مفید است.

پلی‌کریستال دی‌اکسید زیرکونیوم تقویت‌شده با اکسید یوتریوم (3Y-TZP)

یکی از سرامیک‌های پرکاربرد زیرکونیا، ترکیب پلی‌کریستال دی‌اکسید زیرکونیوم با اکسید یوتریوم، که با نام 3Y-TZP شناخته می‌شود، است. این سرامیک به دلیل مقاومت بالا، چقرمگی و پایداری خود در دمای اتاق به‌ویژه در دندانپزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ویژگی تقویت دگرگونی در سرامیک‌های 3Y-TZP، به علت وجود ساختار چهارضلعی تثبیت‌شده است. در این مواد، تحت فشار مکانیکی و در صورت ایجاد ترک‌های کوچک، فاز چهارضلعی به فاز مونوکلینیک تبدیل می‌شود که با افزایش حجم همراه است. این افزایش حجم باعث ایجاد فشار در اطراف ترک شده و در نتیجه چقرمگی و مقاومت در برابر شکست مواد را بهبود می‌بخشد.

برای بهبود مقاومت حرارتی، آلیاژ کردن 3Y-TZP با نسبت کمی آلومینا صورت می‌گیرد که به تولید ترکیبی با نام TZP-A منجر می‌شود. این ترکیب به دلیل دوام بالا در دماهای بالا، در دندانپزشکی و سایر صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. تنها عیب آن کاهش شفافیت است.

تولید بلوک‌های سرامیکی زیرکونیوم از پودر

در دندانپزشکی، زیرکونیوم دی‌اکسید به صورت بلوک‌های سرامیکی به‌کار می‌رود. کیفیت این بلوک‌ها به انتخاب مواد اولیه و فرایند تولید آن‌ها بستگی دارد. برای تولید بلوک‌های زیرکونیا از پودر، از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود.

فرایندهای تولید بلوک زیرکونیا

فرایندهای فشرده‌سازی متنوعی برای تولید بلوک‌های زیرکونیا وجود دارد که قبل از آن، از یک چسب آلی برای کاهش اصطکاک داخلی استفاده می‌شود. چسب به پودر اضافه شده و به آن استحکام می‌بخشد و پس از فشرده‌سازی به صورت بدنه سبز (Green Body) شکل می‌گیرد.

برخی از روش‌های فشرده‌سازی عبارتند از:

1. پرس تک‌محوری: در این روش، فشار از یک طرف اعمال می‌شود و چگالی بلوک‌ها به قابلیت ریزش پودر بستگی دارد. احتمال ایجاد چگالی‌های متفاوت به علت اصطکاک میان پودر و ابزار فشرده‌سازی وجود دارد که منجر به ناهمسانی در بلوک‌های نهایی می‌شود.
2. پرس ایزواستاتیک سرد (CIP): در این روش، پودر در قالبی الاستیک پر می‌شود و فشار از طریق یک مایع از خارج به صورت یکنواخت اعمال می‌گردد. این روش بلوک‌هایی با چگالی یکنواخت و خواص همسانگرد تولید می‌کند.
3. پرس ایزواستاتیک گرم (HIP): در این فرایند تکمیلی، پودر دی‌اکسید زیرکونیوم همزمان تحت فشار و دمای بالا قرار می‌گیرد. پودر در یک ظرف قالب‌گیری ریخته شده و در مخزن تحت فشار گاز بی‌اثر قرار داده می‌شود. این روش بلوک‌هایی با ویژگی‌های همسانگرد تولید می‌کند اما از نظر هزینه و پیچیدگی فرایند، گران است و نیاز به تجهیزات خاص دارد.

کاربردهای زیرکونیا در صنعت دندانپزشکی

سرامیک‌های زیرکونیایی مانند 3Y-TZP، به دلیل خواص مکانیکی و شیمیایی مناسب، در ساخت روکش‌ها، تاج‌های دندان و پایه‌های ایمپلنت به کار می‌روند. مقاومت بالا در برابر ترک‌خوردگی، سازگاری زیستی و ظاهر زیبا، زیرکونیا را به ماده‌ای ایده‌آل برای استفاده در دندانپزشکی تبدیل کرده است. زیرکونیا نسبت به مواد فلزی، زیست‌سازگاری بالاتری دارد و باعث تحریک کمتر در بافت‌های دهانی می‌شود.

همچنین، به دلیل مقاومت بالا در برابر فرسایش و استحکام مکانیکی مناسب، زیرکونیا به عنوان جایگزینی برای فلزات و سایر سرامیک‌ها در پروتزهای دندانی و ایمپلنت‌های ثابت استفاده می‌شود. مقاومت بالای این ماده در برابر شکستگی، عمر طولانی‌تری به پروتزها و ایمپلنت‌ها می‌بخشد.

چالش‌ها و معایب استفاده از زیرکونیا

اگرچه زیرکونیا دارای مزایای بسیاری است، اما استفاده از آن چالش‌هایی نیز به همراه دارد. یکی از معایب اصلی زیرکونیای تقویت‌شده با اکسید یوتریوم (3Y-TZP) کاهش شفافیت است. این موضوع باعث می‌شود که در برخی موارد، زیبایی ظاهری پروتزهای دندانی تحت تأثیر قرار گیرد.