زیرکونیای مکعبی

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

مکعب دور برش درخشان زیرکونیا

جنبه‌های تکنیکی

زیرکونیای مکعبی کریستالوگرافی ایزومتریک می‌باشد، یکی از ویژگی‌ های مهم این ماده،شبیه الماس است. اکسید زیرکونیوم در طول سنتز، به‌ طور 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 زیرکونیوم استفاده می‌کنند تا هزینه نهایی، کاهش یابد.

تاریخچه

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

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.

سنتز

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 (در سال۱۹۹۷) ثبت اختراع شد. این امر، عمدتاً به دلیل فرآیندی 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.

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 موسوم به (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 شده، شروع به ذوب شدن می‌کند و رسانای الکتریکی می‌شود. در ادامه، این ماده از طریق ژنراتور RF گرم شده و این کار ادامه می‌یابد تا زمانی که کل محصول مذاب شود. به علت وجود سیستم خنک‌کننده اطراف مایع مذاب، پوسته ای نازک از مواد جامد ساخته شده تشکیل می‌شود. این باعث می‌شود زیرکونیای مذاب در پودر خود باقی مانده و از آلودگی در امان باشد تا گرما کاهش یابد. این مادهٔ مذاب برای اطمینان از همگن بودن و اطمینان از تبخیر همه ناخالصی‌ها، برای چند ساعت در دمای بالا باقی می‌ماند. سرانجام، کل ظرف به آرامی از سیم پیچ‌های RF خارج می‌شود تا گرمایش کاهش یافته و آرام آرام (از پایین به بالا) خنک شود. نرخی که در آن محلول از کویل‌های RF برداشته می‌شود، به عنوان تابعی از پایداری تبلور می‌باشد 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.

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. قطر بلورها به شدت تحت تأثیر غلظت $Y_{2}O_{3}$

تثبیت کننده است.

ناخالص سازی

به دلیل ظرفیت ایزومورفیک زیرکونیای مکعبی می‌توان آنرا با چندین عنصر آلایش (تخدیر) کرد تا رنگ بلور را تغییر دهد. لیستی از مواد آلاینده (تخدیری) و رنگ‌های خاص تولید شده توسط اضافه شدن 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

البته لازم است ذکر شود که ممکن است گونه‌هایی با رنگ‌های متفاوت وجود داشته باشد یا به وجود بیایند که در جدول بالا ذکر نشده‌است.

زیرکونیا مکعب بنفش با برش تابلو
زیرکونیا مکعب چند رنگ
سنگهای زیرکونیا مکعبی سه تنی
زیرکونیا مکعبی زرد

نقص رشد اولیه

کریستال‌های YCZ (زیرکونیای مکعب یتریوم)، شفافیت بالا و ضریب شکست کمتر از $5\times 10^{-5}$

دارند. 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 ${\textstyle 8\times 10^{-4}}$ 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

در سالهای اخیر تولیدکنندگان به دنبال راه‌های تمایز زیرکونیای مکعبی خود 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

الماس
شبیه‌ساز الماس
کارخانه سنگ (sheby)
الماس مصنوعی
زیرکونیا تثبیت شده (توسط Yttria)

منابع

↑ Bayanova, T.B. (2006). "Baddeleyite: A promising geochronometer for alkaline and basic magmatism". Petrology. 14 (2): 187–200. doi:10.1134/S0869591106020032.
↑ Stackelberg, M. von; Chudoba, K. (1937). "Dichte und Struktur des Zirkons; II". Zeitschrift für Kristallographie. 97: 252–262.
↑ "Understanding more about Cubic Zirconia". Chic Jewelry. 2013. Archived from the original on 14 December 2013. Retrieved 6 December 2013.
↑ 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.
↑ Nassau, Kurt (Spring 1981). "Cubic zirconia: An Update". Gems & Gemology. 1: 9–19.
↑ 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

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

[Bayanova-1] Bayanova, T.B. (2006). "Baddeleyite: A promising geochronometer for alkaline and basic magmatism". Petrology. 14 (2): 187–200. doi:10.1134/S0869591106020032.

[chudoba-2] Stackelberg, M. von; Chudoba, K. (1937). "Dichte und Struktur des Zirkons; II". Zeitschrift für Kristallographie. 97: 252–262.

[chic-3] "Understanding more about Cubic Zirconia". Chic Jewelry. 2013. Archived from the original on 14 December 2013. Retrieved 6 December 2013.

[growth-4] 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.

[:2-5] Nassau, Kurt (Spring 1981). "Cubic zirconia: An Update". Gems & Gemology. 1: 9–19.

[:1-6] Lomonova, E. E.; Osiko, V. V. (2004). Growth of Zirconia Crystals by Skull‐Melting Technique. Chichester, West Sussex: J. Wiley. pp. 461–484.