کاربردهای اکسید زیرکونیم (Zirconium Oxide Application) بسیار است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

کاربردهای دینامیکی:

زیرکونیا در شرایط مناسب ریزساختاری و فازی بالاترین مقاومت به ضربه را در بین سرامیک ها دارد و به همین دلیل در مواردی چون چوب گلف، قیچی سرامیکی، حدیده های کشش سیم، قالب های اکستروژن گرم، واشر در شیرها، پروانه پمپ های انتقال مواد شیمیایی و لجن ها، سر پیستون و آستر پیستون ها کاربرد دارد و کاربرد آن به عنوان اجزاء موتورهای حرارتی باعث شده تا از کاهش دمای موتور جلوگیری شده و بازده موتور افزایش یابد از طرفی میزان سایش کاهش یافته و عمر موتور افزایش می یابد. در همین راستا به عنوان سر سوپاپ، میل لنگ، شاتون و بادامک ها که مقاومت به سایش در آن ها اهمیت دارد، استفاده می شود. یک شرکت آمریکایی یک موتور تحقیقاتی از پوسته نیترید سیلیسیم و اجزای زیرکونیایی طراحی نموده است که مصرف سوخت آن به طور قابل توجهی پایین است. جهت پایداری شیمیایی زیرکونیا در دماهای بالا مطالعه آن جهت کاربرد در سیستم های حرارتی اگزوز، موتور جت و موشک،توربین های گازی به طور جدی دنبال می شود.

المنت حرارتی:

در دماهای بالا نقص های شبکه ای زیاد شامل حامل بار الکتریکی در زیرکونیا به وجود آمده که نتیجه آن افزایش هدایت الکتریکی می باشد. غلظت این عیوب می تواند با افزایش کاتیون های ثانویه چون کلسیم و یا کاتیون های با ظرفیت متغیر افزایش یابد.

به عنوان مثال با افزایش CeO₂ دانسیته حامل های بار الکترونی افزایش می یابد:

مطابق آنچه گفته شد با افزایش دما مقاومت الکتریکی زیرکونیا کاهش می یابد به طوری که زیرکونیای تثبیت شده در 200 درجه سانتی گراد مقاومت حدود 2300 اهم بر متر را داشته اما در دمای 700 درجه سانتی گراد این مقاومت به 0.4 می رسد. از طرفی به دلیل دیرگدازی و مقاومت به اکسیداسیون و شوک حرارتی بالا برای زیرکونیا باعث شده تا زمینه های کاربردی آن به عنوان المنت های حرارتی در کوره های الکتریکی تا دمای 2000 درجه سانتی گراد ایجاد شود. المان های فلزی تا 1300 درجه سانتی گراد (کانتال) و از نوع پلاتینیم تا 1600 درجه سانتی گراد را تحمل می نمایند. المان های سرامیکی مثل کاربید سیلیسیم تا 1560 و سوپر کانتال دی سیلیسید مولیبدن تا 1800 درجه سانتی گراد را تحمل می نماید. اما این دو سرامیک محدودیت جدی به دلیل اکسیداسیون در دماهای بالا دارند. زیرکونیا نه تنها مشکل اکسیداسیون را نداشته بلکه از هدایت حرارتی بالاتری در دماهای بالا نسبت به سرامیک های یاد شده برخوردار است. برای حل مشکل هدایت کم زیرکونیا در دماهای پایین از کنتاکت های پلاتین در دو انتهای آن استفاده می شود. بدین ترتیب تا 1000 درجه سانتی گراد به واسطه المان های مقاومتی فلزی پیش گرم شده و به اندازه کافی رسانا می گردد. پیش گرم کردن می تواند به وسیله جا دادن یک ماده حساس (پذیرنده) مانند کاربید سیلیسیم در داخل زیرکونیا صورت پذیرد. این سیستم مشکل کنتاک های الکتریکی را نداشته ولی بازده انرژی کمتری دارد و المان های زیرکونیایی در 1800 درجه سانتی گراد قابلیت تحمل بیش از 10000 ساعت را دارند.

دیرگداز:

زیرکونیای تثبیت شده به جهت نقطه ذوب بالا و خواص شیمیایی عالی به عنوان یک نسوز مناسب مطرح است. حضور ذرات زیرکونیای تثبیت نشده در نسوزهایی مانند آلومینا باعث افزایش مقاومت به سایش و مقاومت به شوک حرارتی شده و کاربرد آن را در مواردی چون شیرهای راهگاهی لغزنده در تجهیزات فرآیند ریخته گری مداوم فولاد و یا نازل ها و افشانک های خروج مذاب در پاتیل های میانی و سیتم های کشویی پاتیل ها امکان پذیر می کند. در حقیقت با تحول فازی، شبکه ای از ترک های ریز شکل گرفته که باعث مهار رشد ترک اصلی می شود. در همین راستا از زیرکونیا در ساخت بوته های ذوب فلز به خصوص ذوب فلزات گران بها و سوپر آلیاژ (مصرفی در پره های توربین)، بوته های چینی آزمایشگاهی و شیمیایی، نسوزهای مقاوم در برابر شوک حرارتی در آستر کوره ها و پاتیل ها، ابزارآلات کوره های پخت سرامیک استفاده می شود. محدودیت اصلی آن مقاومت کم در برابر حمله سرباره های بازی و اکسید آهن می باشد.

مذاب تیتانیم حالت خورندگی شیمیایی و مکانیکی شدیدی داشته به طوری که هیچ نوع دیرگدازی تا کنون نتوانسته در برابر آن مقاومت کند. زیرکونیا تنها دیرگدازی است که به وسیله تیتانیم تر نشده و درآن حل نمی شود.

فیبرهای نسوز:

زیرکونیا یک عایق حرارتی خوب به شکل های فیبر، کاغذ، نمد و ورق در دماهای بالا مطرح می باشد. فیبرهای زیرکونیایی که فویل های کریستاله بوده و از اندازه دانه با اندازه 0.2 میکرون برخوردار می باشد تحمل دماهای 1650 تا 1700 درجه سانتی گراد را دارد. با عبور ماده آلی از جنس ابریشم مصنوعی از داخل محلول آبی کلرید زیرکونیم و کلرید ایتریم پوششی از زیرکونیا بر روی آن ها قرار می گیرد. فیبرهای آلی در دماهای به اندازه کافی بالا سوخته شده و خارج می شوند. فیبرهای زیرکونیایی به دست آمده به منظور کریستالیزه شدن در دماهای بین 800 تا 1300 درجه سانتی گراد تحت عملیات حرارتی قرار گرفته و در نهایت پخت می شوند. این فیبرها به عنوان جدا کننده در باتری های فضایی، فیلترهای گاز گرم ، دیافراگم پوشش های حرارتی و شیمیایی مصرف دارند.

پوشش محافظ حرارتی:

وجود یک پوشش نازک سرامیکی بر روی تیغه های فلزی رتورهای توربین باعث افزایش دمای کاربرد آن ها به میزان 100 تا 200 درجه سانتی گراد و در نتیجه افزایش بازده موتور توربین بین 6 تا 12 درصد می شود. معمولا لایه ای از زیرکونیا به صورت پلاسما تا ضخامت 0.06 سانتی متر به واسطه یک لایه میانی (0.07 سانتی متر) بر روی فلز قرار می گیرد. لایه میانی یک ترکیب سرامیکی با ضریب انبساط حرارتی نزدیک به فلز بوده و به عنوان اتصال دهنده فلزی عمل می نماید. پوشش زیرکونیا از پایداری شیمیایی خوبی برخوردار بوده  و در محیط هایی چون توربین گازی به خوبی عمل می نماید.

اعمال پوشش های زیرکنیایی به روش سل – ژل بر روی سطح رولرهای سرامیکی به دلیل ضریب انبساطی کم از دیگر موارد قابل ذکر است. عمر مفید رولرهای سرامیکی در کوره های پخت سرامیک به دلایل زیر پایین است: 1- حضور گازهای احتراقی چون بخار آب، دی اکسید و منواکسید کربن، دی اکسید گوگرد و سولفید هیدروژن

2- وجود شیب حرارتی و بالطبع تنش های حرارتی

3- وجود بخار اکسیدهای قلیایی چون اکسیدهای سدیم، پتاسیم و لیتیم که در دماهای پخت بالاتر از 900 درجه سانتی گراد در کوره ایجاد شده و در لایه سطحی رولرها نفوذ و منشا واکنش های شیمیایی خورنده آن می شوند.

4- تنش های مکانیکی ناشی از وزن رولر، وزن قطعات و حرکات پیچشی رولر در قسمت جهنم کوره موجب خزش و شکست رولر می شوند.

5- تماس با لعاب بدنه و نفوذ فاز شیشه از سطح بدنه سرامیکی به سطح رولر.

عوامل فوق نه تنها باعث کاهش کیفیت محصولات می شود بلکه زیان های اقتصادی را به دنبال دارد. جهت افزایش عمر این رولر ها یک لایه پوشش سل – ژل زیرکونیایی بر روی سطح آن ها اعمال می شود که مهمترین نقش آن جلوگیری از نفوذ  گازها و بخارهای اکسیدهای قلیایی خورنده می باشد.

کاربردهای الکتریکی:

با مخلوط کردن اکسیدهای زیرکونیم، سرب و تیتانیم به نسبت معین ترکیب زیرکونات سرب و تیتانیم حاصل شده که دارای کاربردهای الکتریی و الکترونیکی می باشد. در ترکیب Pb(ZrTi)O3هر یون سرب با 12 یون اکسیژن و هر یون زیرکونیم یا تیتانیم با 6 یون اکسیژن همسایه بوده و تشکیل یک شبکه FCC می دهند. به علت بزرگ بودن یون های سرب شبکه حالت انبساطی داشته و یون های زیرکونیم دقیقا در مرکز شبکه قرار نداشته و واحد شبکه از نظر بار الکتریکی متقارن نبوده به صورت یک دو قطبی عمل می کند. با اعمال یک میدان الکتریکی دو قطبی های الکتریکی در جهت معینی منظم شده و به اصطلاح نمونه قطبی می شود. بسته به نوع میدان اعمال شده سرامیک انبساط و یا انقباض از خود نشان می دهد که به پدیده پیزوالکتریک معروف است. بالعکس اگر یک نیروی خارجی بر سرامیک اعمال شود تغییری در ابعاد دو قطبی ها باعث ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سر نمونه سرامیکی می شود یعنی پدیده پیزوالکتریک دو طرفه است. از این نوع پیزوالکتریک ها به عنوان استارترهای گازی مبدل مکانیکی – الکتریکی در سیستم ضبط صوت، ترانس و دیودهای ماورا صوت، تولید کننده موج های فشاری صوتی برای اکو، شتاب سنج ها، میکروفن ها و بلند گوها استفاده می شود.

شیشه و لعاب:

زیرکونیا به دلیل مقاومت بسیار بالا در برابر محیط های قلیایی کاربرد آن در لعاب ها و شیشه ها و یا نسوزها گسترش یافته است. فیبرهای شیشه ای شامل 6 تا 16 درصد زیرکونیا به عنوان فیلمنت های مسلح کننده در بتن کاربرد پیدا نموده است. یون های زیرکونیم در شیشه تمایل به پیدا کردن عدد همسایگی 4 دارند بدین ترتین در شبکه سیلیکات قرار می گیرند در حالی که در سرد شدن شبکه سیلیکات تمایل به یافتن عدد همسایگی 6 را دارد که برای زیرکونیم امکان پذیر نیست. بنابراین از شبکه جدا شده و به عنوان عامل جوانه زا عمل می کند. از طرفی حلالیت آن در مذاب سیلیکات محدود می باشد (4-3)% سعی بر این است که زیرکونیا به شکل ناپایدار تتراگونال در شبکه Na₂O-SiO₂-ZrO₂-Al₂O₃ در دماهای حدود 940 درجه سانتی گراد متبلور شود. در لعاب ها به عنوان مات کننده و در لعاب های سفید که بر روی ورقه های آهنی به کار می رود به عنوان عامل رسوب کننده محسوب می شود.

پایه رنگدانه های سرامیکی:

رنگدانه های بر پایه زیرکونیا به دلیل مقاومت خوبی که در شرایط حاد شیمیایی و حرارتی از خود نشان می دهند به طور گسترده در صنایع کاشی، ظروف غذاخوری، چینی بهداشتی مورد استفاده قرار می گیرند. از چهار رنگ اصلی سه تای آن ها بر پایه زیرکونیا می باشد. رنگ آبی در حضور اکسید وانادیم، زرد و در حضور پرازئودیمیم و قرمز تا صورتی در حضور اکسید آهن مورد استفاده قرار می گیرد. در تمامی رنگ های بر پایه زیرکونیا، ZrO₂ با سیلیکا ترکیب شده و تشکیل شبکه سیلیکات داده به طوری که یون های رنگ دهنده (کروموفور) در داخل این شبکه جایگزین تعدادی از یون های زیرکونیم می شود. البته مینرال سازهایی برای شدت بخشیدن تشکیل زیرکن (سیلیکات زیرکونیم) اضافه می شود و بر شدت رنگ اثر می گذارد.

ساینده ها و ابزارهای برشی:

زیرکونیا به واسطه تحول فازی تنش های فشاری در سطح ایجاد نموده و به همین دلیل کاربردهای نوینی در ابزار های برنده و مقاوم در برابر سایش پیدا کرده است. چرخ های ساینده آلومینا – زیرکونیا هفت برابر بهتر از چرخ های آلومینای خالص کار می کنند. کاربرد آن به عنوان گلوله های بال میل، انواع قیچی های برش و یا تیغه های برش در صنعت برش دهنده در صنعت کاغذ، هدایت کننده الیاف نساجی و بسیاری موارد دیگر متداول شده است. عمر بسیار زیاد و دوره کار طولانی مدت و فاصله زمانی استراحت کم این نوع ابزار ها موجب جبران قیمت اولیه می شود.

سنسور اکسیژنی:

در اتومبیل های مسئله افزایش راندمان سوخت و کنترل آلودگی مهمترین پارامترها بود و تا به حال راه حل مختلفی برای آن ارائه شده است. به طوری که جهت کاهش آلاینده های خروجی چون منواکسید، اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربن ها از کاتالیست های مختلف استفاده می شود. تبدیل کننده های کاتالیستی فقط در یک دامنه محدود از شرایط احتراق (نسبت معنی از سوخت به هوا) می توانند مفید واقع شوند. از آنجایی که غلظت اکسیژن در گازهای خروجی بسته به نسبت هوا / سوخت از ^9-10 تا ^21-10 اتمسفر تغییر می کند، بنابراین می تواند معیار خوبی برای اندازه گیری راندمان و کنترل شرایط احتراق باشد. بر همین اساس اتومبیل های جدید مجهز به یک سیستم اتوماتیک تنظیم سوخت و هوا بر اساس سنسور اکسیژنی هستند که عمدا از جنس سرامیک های الکترولیتی یونی هستند. این نوع سنسورها با دو مکانیزم مختلف عمل می کنند یکی بر اساس پتانسیل الکتروشیمی ناشی از اختلاف فشار اکسیژن که بیشتر در مورد سرامیک های زیرکونیا مطرح است و دیگری بر اساس وابستگی هدایت الکترونیکی به فشار اکسیژن می باشد که در راستای آن سنسورهای TiO₂ و ZrO₂ توسعه یافته است.

تولید هیدروژن:

تبدیل آب به هیدروژن پر هزینه بوده با وجود این از آن جهت بالا بردن راندمان نیروگاه های حرارتی استفاده می شود. با الکترولیز در دماهای بالا می توان بازده تولید هیدروژن را بالا برد این هدف با استفاده از یک غشا متخلخل زیرکونیای تثبیت شده انجام می گیرد به طوری که بخار آب در کاتد به واسطه اعمال ولتاژ تجزیه شده و یون اکسیژن از میان غشا گفته شده جریان می یابد در حالی که هیدروژن از مدار خارج می شود. الکترودها از جنس پروسکایت انتخاب شده و از نظر اقتصادی نسبت به فلزات نادر ارجحیت دارد.

پیل سوختی:

پیل های سوختی دمای بالا به عنوان تکنولوژی پیشرفته در افزایش راندمان تولید انرژی و کاهش آلودگی مطرح هستند. اساس کار آن ها بر پایه تبدیل سوخت های فسیلی به انرژی الکتریکی به واسطه یک سری واکنش های الکتروشیمیایی می باشد. به عبارتی مخلوط گازی قابل احتراق (H₂+CO) از سطح داخلی زیرکونیایی که به شکل یک لوله می باشد عبور نموده در حالی که جریانی از هوا یا اکسیژن در امتداد سطح خارجی زیرکونیا عبور می نماید بدین ترتیب به واسطه اختلاف فشار اکسیژن در دو طرف سطح جریانی از نفوذ یون های اکسیژن از جداره لوله زیرکونیایی به عنوان الکترولیت به سمت داخل لوله برقرار می گردد. با عبور اکسیژن از درون الکترولیت (ZrO₂-Y₂O₃) گازهای  H₂ و CO امکان احتراق پیدا نموده و گازهای CO₂ و H2O تولید می شود، انرژی آزاد حاصل از واکنش های احتراق به یک جریان الکترکی تبدیل شده که به صورت کار مفید در مدار خارجی استفاده می شود. الکترولیت جامد از ZrO₂ تثبیت شده با هدایت یونی بالا بوده که تلفات ناشی از مقاومت پیل را به حداقل می رساند. ولتاژ پیل در 1000 درجه سانتی گراد بر اساس معادله نرنست حدود یک ولت می باشد. به منظور ایجاد جریان و ولتاژ بالاتر پیل ها به طور موازی و یا سری ترکیب می شوند. گاز هیدروژن به علت عدم ایجاد آلودگی به عنوان سوخت ترجیح داده می شود. گازهای محترق خروجی دمای حدود 800 درجه سانتی گراد را داشته که می تواند مورد استفاده قرار گیرد. در این فرآیند احتمال رسوب کربن روی الکترودها وجود داشته که بازده را به شدت می کاهد. با استفاده از گازهای طبیعی مانند متان یا اتان و با کنترل درجه اکسیداسیون می توان محصولات مختلفی را ایجاد کرد (الکل، استن، ...). بدین ترتیب این نوع پیل ها با مصرف گاز طبیعی به عنوان سوخت اولیه می تواند به دو منظور تولید الکتریسیته و تولید محصولات جانبی به کار گرفته شود.

باتری های ذخیره کننده:

از هدایت کننده های کاتیونی مانند زیرکونیا به عنوان باتری های ذخیره کننده استفاده می شود. در حقیقت زیرکونیا در این نوع باتری ها به عنوان جدا کننده آند و کاتد چون سدیم و گوگردعمل می نماید. به واسطه واکنش های انجام گرفته بین آند و کاتد توان الکتریکی حاصل می شود. پتانسیل تولید شده بستگی به ترکیب شیمیایی زیرکونیا و هدایت یونی آن دارد. از الکترولیت های مناسب دیگر برای این باتری ها می توان به سرامیک هایی چون ZrO₂+CeO₂ ، β-Al₂O₃ شیشه های قلیایی و یا یدیدهای فلزی مانند AgI اشاره نمود.

سایر کاربردها:

زیرکونیا به واسطه سطحی با اصطکاک کم و حداقل جذب نوترون های برخوردی به آن به عنوان بازتاب دهنده های نوترونی در راکتورهای اتمی کاربرد دارد. این سرامیک جایگزین بسیار خوبی برای آلومینا یا آلیاژهای فلزی در کاربردهای ارتوپدیک در بدن انسان می باشد. اکسید زیرکونیم مکعبی به عنوان جواهر مصنوعی نیز کاربرد دارد.