ジルコニアについて

＜ジルコニアの知識＞

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2007/08/04 日記<ジルコニア>

ジルコニア

ジルコニア（二酸化ジルコニウム、化学式：ZrO₂）はジルコニウムの酸化|酸化物である。常態では白色の固体。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、透明でダイヤモンドに近い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。

結晶構造と機械的性質

ジルコニアは室温では単斜晶系であり、温度を上げていくと正方晶および立方晶へと結晶構造が相転移する。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や酸化マグネシウム、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、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できる。このような酸化物（安定化剤と呼ぶ）添加ジルコニア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。安定化ジルコニアは、酸化物無添加ジルコニアに比べて強度およ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できるようにした部分安定化ジルコニアのほう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）はイオン伝導率に優れており、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（セルコン）としても着目されており、需要が増えている。

キュービックジルコニア

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（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）に次ぐ硬さを有し、また、ダイヤモンドと同程度の高い屈折率を持つため、宝飾品に用いられている。当初は、「模造ダイヤモンド」と呼ばれていたが、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が得られることなどから、もはやダイヤモンドの代替品としてではなく、新たな宝石として認知され始めている。

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