Dioxyde de zirconium

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Icône de paronymie Cet article possède un paronyme ; voir : Zircon.
Zircone
Dioxyde de zirconium
Identification
Nom IUPAC Dioxyde de zirconium
No CAS 1314-23-4
No EINECS 215-227-2
SMILES
InChI
Apparence cristal blanc
Propriétés chimiques
Formule brute O2ZrZrO2
Masse molaire[2] 123,223 ± 0,003 g/mol
O 25,97 %, Zr 74,03 %,
Moment dipolaire 7,80 ± 0,02 D [1]
Propriétés physiques
fusion 2 715 °C
ébullition 4 300 °C ou 5 000 °C
Solubilité <1 mg·l-1 dans l'eau à 20 °C
Masse volumique 5,89 g·cm-3, solide
Cristallographie
Symbole de Pearson mP12\,
Classe cristalline ou groupe d’espace P21/c (n°14)
Strukturbericht C43
Propriétés optiques
Indice de réfraction (λ ~ 590 namomètre) de no = 1,960, ne = 2,015 (high) à no = 1,920, ne = 1,967 (low)[3]
Précautions
Directive 67/548/EEC
Irritant
Xi



SIMDUT[4]

Produit non contrôlé
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le dioxyde de zirconium ou oxyde de zirconium(IV) couramment appelée zircone est un composé inorganique du zirconium de formule ZrO2. Ce matériau est une céramique technique d'aspect opaque. Appelé CZ (Cubic Zirconia) lorsque transparent, il est utilisé pour imiter le diamant. Il ne faut pas le confondre avec le zircon (ZrSiO4). Sous sa forme tétragonale, l'oxyde de zirconium est un matériau a vocation mécanique, cette évolution cristallographique lui confère une dureté très élevée (1200Hv) ainsi qu'une bonne résistance aux sollicitations mécaniques (700Mpa en traction et 2000Mpa en compression). Une fois polie, la zircone tétragonale peut atteindre un Ra de 0,02, ce qui permet de l'utiliser pour des pièces de frottement.

Mise en œuvre[modifier | modifier le code]

La zircone peut être mise en œuvre par frittage ou par projection plasma. Après frittage, elle se caractérise par une très grande résistance à la rupture, à la fissuration[5].

Utilisations[modifier | modifier le code]

Usages liés aux propriétés thermiques[modifier | modifier le code]

Les propriétés thermiques intrinsèques de la zircone font de ce matériau un candidat très intéressant pour la réalisation de divers dispositifs, par exemple des barrières thermiques. Réfractaire et de faible conductivité thermique, son coefficient de dilatation thermique est relativement élevé pour une céramique (10.10-6 K-1 à température ambiante), ce qui permet la réalisation de couples céramique/alliages métalliques possédant de bonnes propriétés thermiques et mécaniques[6]. Ainsi, quelques dizaines d'années d'expérience dans le développement de barrières thermiques ont permis la démocratisation de l'utilisation de la zircone dans l'industrie.

Pièces d'usure[modifier | modifier le code]

En raison de sa dureté, qui se traduit par une bonne résistance à l'usure, la zircone est utilisée dans la réalisation de pièces d'usure, notamment dans l'industrie d'élaboration de fibres textiles. De plus on utilise la zircone pour les pièces de frottement telle que les billes de roulement à billes. Il s'agit de roulement à très haute résistance mécanique offrant un faible coefficient de frottement. La zircone est aussi utilisée en compétition automobile, comme par exemple pour la réalisation de chemises.

Usages médicaux[modifier | modifier le code]

La zircone est utilisée dans la réalisation de prothèses dentaires (Zircone Y-TZP) ou des têtes fémorales des articulations artificielles de hanches.

Usages en électronique[modifier | modifier le code]

Le dioxyde de zirconium est un des oxydes prometteurs pour la micro-électronique, appelés diélectrique high-k, en vue du remplacement du dioxyde de silicium (SiO2), qui a une constante diélectrique trop faible.

Lame de céramique[modifier | modifier le code]

La zircone est également utilisée dans la fabrication de couteaux à lame de céramique.

Joaillerie et horlogerie[modifier | modifier le code]

En raison de la possibilité de lui donner des teintes diverses (noir, blanc, rose, ...), et de sa relative résilience comparativement à d'autres céramiques et de son indice de réfraction élevé, la zircone est utilisée comme matériau pour la réalisation d'objets de luxe en joaillerie, en bijouterie et en horlogerie. Par exemple, Chanel utilise la zircone Y-TZP comme matériau de base pour sa montre J12. De couleur noire ou blanche, elle permet de réaliser des montres quasiment inrayables. L'un des principaux problèmes tient à la difficulté de polissage, du fait de la dureté du matériau ainsi que de la nécessité d'éliminer une couche de matière non homogène. Les temps de cycle sont assez longs; récemment, de nouveaux équipements de polissage-lissage de surfaces ont permis de réduire sensiblement ces durées (centrifugeuse satellitaire à axe oblique)

Évolution cristallographique[modifier | modifier le code]

La zircone présente une évolution cristallographique en fonction de sa température. Lors de sa mis en forme et de son refroidissement, entre 1 000 °C et 1 100 °C, la phase quadratique devient monoclinique. Ce changement cristallographique s'accompagne d'une variation volumique de 3 % qui peut être dommageable au matériau. Cet endommagement caractéristique de la zircone pure est problématique. C'est pourquoi il est courant d'utiliser des additifs (dopants) qui stabilisent la forme cubique ou quadratique de la zircone à température ambiante (MgO, CaO, Y2O3...). Des études sur des couches minces en zircone montrent l'existence d'une phase orthorhombique à basse température.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) David R. Lide, Handbook of chemistry and physics, CRC,‎ 16 juin 2008, 89e éd., 2736 p. (ISBN 142006679X et 978-1420066791), p. 9-50
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. physics.info/refraction
  4. « Dioxyde de zirconium » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  5. zircone.fr
  6. CRABOS F. "caractérisation, évaluation et optimisation de systèmes barrière thermique industriels - Application aux turbines à gaz". Thèse de doctorat, Institut National Polytechnique de Toulouse, oct. 1996.