Цирконий

Цирконий — тугоплавкий металл (Тпл = 1855°C, плотность 6,51 г/см³) с исключительно малым сечением захвата тепловых нейтронов (0,18 барн) и хорошей коррозионной стойкостью в воде при высоких температурах. Около 90% мирового производства циркония (в виде ZrO₂) идёт в керамику и огнеупоры; металлический цирконий — преимущественно для ядерной энергетики.

Диоксид циркония ZrO₂ существует в трёх кристаллических формах: моноклинной (до 1170°C), тетрагональной (1170–2370°C) и кубической (выше 2370°C). Переход тетрагональная → моноклинная сопровождается объёмным расширением 3–5%, разрушающим керамику при охлаждении без стабилизатора. Добавка стабилизаторов Y₂O₃ (3–8 мол.%), CaO или MgO «замораживает» высокотемпературную кубическую или тетрагональную фазу при комнатной температуре. Частично стабилизированный ZrO₂ (PSZ, 3Y-TZP) — «керамическая сталь» с прочностью при изгибе 900–1200 МПа и вязкостью разрушения K₁c = 8–12 МПа·м⁰'⁵ (в 5–10 раз выше Al₂O₃).

Твёрдый оксидный электролит для SOFC: кубический 8Y-ZrO₂ при 800–1000°C является ионным проводником O²⁻ с проводимостью 0,1–0,5 Ом⁻¹·см⁻¹. Это основа для топливных элементов SOFC с КПД 55–65% (без утилизации тепла) и 85–90% (с когенерацией) — наиболее эффективный способ преобразования химической энергии газа в электричество. Медицина: ZrO₂-керамика для стоматологических коронок — твёрдость HV 1100, белый непрозрачный цвет, биосовместимость, обрабатывается CAD/CAM-фрезерованием из заготовок в незакалённом состоянии и обжигается при 1500°C.