Zircone
Identification
Nom UICPA	Dioxyde de zirconium
No CAS	1314-23-4
No EINECS	215-227-2
SMILES	[Zr](=O)=O PubChem, vue 3D
InChI	InChI : vue 3D InChI=1/2O.Zr/rO2Zr/c1-3-2
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
T° fusion	2 715 °C
T° 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	${\displaystyle mP12\,}$
Classe cristalline ou groupe d’espace	P21/c (n°14)
Strukturbericht	C43
Propriétés optiques
Indice de réfraction	(λ ~ 590 nanomètre) de no = 1,960, ne = 2,015 (high) à no = 1,920, ne = 1,967 (low)[3]
Précautions
SIMDUT[4]
Produit non contrôlé Ce produit n'est pas contrôlé selon les critères de classification du SIMDUT. Divulgation à 1,0 % selon la liste de divulgation des ingrédients Commentaires : Ce produit est inscrit sur la Liste de divulgation des ingrédients sous la dénomination chimique zirconium, composés, n.s.a (non spécifié autrement). La dénomination chimique et la concentration de cet ingrédient doivent être divulgués sur la fiche signalétique s'il est présent à une concentration égale ou supérieure à 1,0 % dans un produit contrôlé.
Directive 67/548/EEC
Xi Symboles : Xi : Irritant Phrases R : R36/37 : Irritant pour les yeux et les voies respiratoires. Phrases S : S26 : En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l’eau et consulter un spécialiste. S39 : Porter un appareil de protection des yeux/du visage. Phrases R : 36/37, Phrases S : 26, 39,
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 à vocation mécanique, cette évolution cristallographique lui confère une dureté très élevée (1200 Hv) ainsi qu'une bonne résistance aux sollicitations mécaniques (700 MPa en traction et 2000 MPa en compression). La zircone quadratique peut être polie jusqu'à un indice de rugosité Ra de 0,02^[pas clair], ce qui permet de l'utiliser pour des pièces de frottement.

Mise en œuvre

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

Usages liés aux propriétés thermiques

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

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 pour la réalisation de chemises.

Usages médicaux

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

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

La zircone ou plus précisément l'oxyde de zirconium(IV) est également utilisée dans la fabrication de couteaux de cuisines haut de gamme, notamment sous l'appellation couteau a lame de céramique. Ainsi la présence en haute quantité de cet élément serait l'origine de la couleur blanche particuliére à ces lames. A noter que les couteaux en céramiques noires sont aussi constitué de ce matériaux auquel est ajouté du carbone^[7].

Joaillerie et horlogerie

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.

La zircone est aussi utilisée chez l'horloger Omega : la Speedmaster « Dark Side of the Moon » est fabriquée en céramique à partir d'un seul bloc d'oxyde de zirconium.

Évolution cristallographique

La zircone présente une évolution cristallographique en fonction de sa température. Lors de sa mise 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.