メーカー 20社製品 6点

酸化ジルコニウム
メーカー20社【2025年】

酸化ジルコニウムについての概要、用途、原理などをご説明します。また、酸化ジルコニウムのメーカー20社一覧や企業ランキングも掲載しておりますので是非ご覧ください。酸化ジルコニウム関連企業の2025年2月注目ランキングは1位:第一稀元素化学工業株式会社、2位:日本NER株式会社、3位:シグマアルドリッチジャパン合同会社となっています。

酸化ジルコニウムとは？
酸化ジルコニウムのメーカー20社
酸化ジルコニウム6製品

酸化ジルコニウムとは

酸化ジルコニウムはセラミックによく使われる白色で無臭の無機化合物です。

化学式はZrO₂で粉末状として存在します。安定化処理を施すことで構造が変化し特性が向上するのが特徴です。特にイットリア (Y₂O₃) を添加した安定化ジルコニア (YSZ) は、高靭性と優れた耐摩耗性を持ち、工業用途に広く利用されています。

代表的な用途には、ファインセラミックス、セラミック刃、歯科材料、燃料電池の電解質、耐熱コーティングなどがあります。

酸化ジルコニウムの使用用途

酸化ジルコニウムは、優れた耐熱性・耐摩耗性・耐食性を活かし、多くの分野で使用されています。

1. セラミック部品

酸化ジルコニウムは、一般的なセラミックスに比べて高い強度と靭性を持ち、耐摩耗性や耐薬品性にも優れています。そのため、化学プラントや流体制御機器のバルブシートやポンプ部品として活用され、摩耗による劣化を大幅に抑制できます。また、高硬度であることから、耐摩耗工具 (パンチ・ノズル・ベアリング) や切削工具にも使用されます。

さらに、スマートフォンや高級時計の筐体材料としても採用され、傷がつきにくく高級感を維持できることが特徴です。特に部分安定化ジルコニア (PSZ) は、応力による自己修復効果 (相変態強化) を持ち、耐衝撃性を必要とする精密部品に適しています。

2. 歯科材料

ジルコニアは、従来の金属製クラウンやセラミックよりも優れた審美性・耐久性・生体適合性を持ち、歯科治療に広く利用されています。さらに、金属アレルギーのリスクがなく、生体適合性が高いため、インプラントやブリッジの支台歯などの歯科材料として使用されることも特徴の1つです。

耐摩耗性にも優れ、長期間の使用でも咬耗しにくく、咬合力の強い奥歯にも適しています。近年では、透明度の高い「フルジルコニアクラウン」も開発され、審美性と強度の両立が進んでいます。

3. 燃料電池の電解質

酸化ジルコニウムは、高い酸素イオン伝導性と耐熱性を持ち、固体酸化物形燃料電池 (SOFC) の電解質材料として不可欠です。特にイットリア安定化ジルコニア (YSZ) は、700〜1,000℃の高温環境下でも安定したイオン伝導を維持し、高効率な発電を可能にします。

自動車の燃料電池や家庭用コージェネレーションシステムにも応用され、環境負荷の少ない分散型エネルギー供給が可能です。その他には圧電素子・セラミックコンデンサといった電子部品の材料や光学ガラスの添加剤、触媒や化粧品などの医薬部外品の添加物に使用されることもあります。

酸化ジルコニウムの性質

酸化ジルコニウムは、原子番号40のジルコニウムの酸化物であり、セラミックスに分類されます。分子量は123.218、主な物理的および化学的性質は、融点が2,715℃、沸点が4,300℃、密度が5.68g/cm³、屈折率が2.13です。

1. 機械的特性

酸化ジルコニウムはモース硬度8.5〜9.0と非常に硬く、耐摩耗性に優れたセラミック材料です。特に、部分安定化ジルコニア (PSZ) は「相変態強化」により高い破壊靭性 (8〜12 MPa√m) を示し、一般的なセラミックスの2〜3倍の靭性を持ちます。

また、応力が加わると結晶構造が変化し、クラックの進展を抑制するため、高衝撃部品にも適用可能です。化学的安定性が高いため、医療用メス・人工関節などの摩耗や腐食に強い製品にも利用されています。

2. 耐熱性と耐熱衝撃性

酸化ジルコニウムは融点約2,700℃と非常に高い耐熱性を持ち、耐火材や耐熱コーティングに利用されます。特に、イットリア安定化ジルコニアは、高温下でも相変態を抑えられ、航空機エンジン・ガスタービンの熱バリアコーティング (TBC) に使用されます。

しかし、単体では熱膨張係数 (10.5×10^-6/K) が高く、温度変化に弱いため、他の材料との組み合わせや安定化処理が必要です。耐熱衝撃性を向上させるため、微細構造制御や層状コーティングが施され、高温環境下での耐久性向上が進められています。

3. 化学的安定性と耐食性

酸化ジルコニウムは、酸・アルカリ・酸化環境に対して非常に安定であり、過酷な環境下での使用が可能です。特に、強酸 (硫酸・塩酸) や高温酸化環境に対しても分解しにくく、耐薬品性が求められる化学プラントのバルブシート・ポンプ部品・反応容器に適用されます。

また、耐酸化性が高いため、排ガス処理装置・燃焼炉部品にも使用可能です。金属と異なり腐食によるイオン溶出がないので、生体適合性が求められる歯科インプラントや人工関節にも適用されています。

酸化ジルコニウムの構造

酸化ジルコニウムは、多形 (ポリモルフィズム) を持つセラミック材料であり、温度によって以下3つの結晶構造をとります。

単斜晶
正方晶
立方晶

1. 単斜晶 (m-ZrO₂)

単斜晶 (m-ZrO₂) は、室温から1,170℃まで安定する酸化ジルコニウムの低温相です。歪んだ八面体 (ZrO₆) 構造を持ち、酸素イオンが不均等に配置されるため、他の相に比べて対称性が低いのが特徴です。1,170℃を超えると正方晶相 (t-ZrO₂) に相転移し、約3〜5%の体積収縮が発生します。

一方で、靭性が比較的高いため、耐摩耗性を求める用途に適しています。酸化ジルコニウム単体では脆い性質を持つため、安定化処理が必要となりますが、特定のセラミック部品や耐火材料には単斜晶相のまま使用されることもあります。

2. 正方晶 (t-ZrO₂)

正方晶 (t-ZrO₂) は、1,170〜2,370℃で安定する酸化ジルコニウムの中温相であり、機械的特性が最も優れているとされます。単斜晶よりも対称性が高く、酸素イオンの配置が均一になるため、機械的強度が向上します。特に注目すべきは、相変態強化 (英: Transformation Toughening) という現象です。応力が加わると、正方晶相から単斜晶相へ変化し、その際の体積膨張によってクラックの進展が抑制されます。

ジルコニアは他のセラミックスよりも高い破壊靭性を持っているため、耐摩耗部品や歯科材料、人工関節などの用途に適用されます。安定化剤 (Y₂O₃, CaO, MgO) を適量添加することで、室温でも正方晶相を維持できるように調整も可能です。

3. 立方晶 (c-ZrO₂)

立方晶 (c-ZrO₂) は、2,370℃以上で安定する高温相であり、最も対称性が高い結晶構造を持ちます。酸素イオンが規則正しく配置されるため、化学的安定性が高く、酸素イオンの移動がスムーズになります。高い酸素イオン伝導性を持つため、立方晶は燃料電池 (SOFC) の電解質や酸素センサーに使用されます。

ただし、立方晶相は機械的強度が低く、靭性も劣るため、通常は単体で使用されることは少なく、イットリア (Y₂O₃) を添加して常温で安定化させるのが一般的です。

酸化ジルコニウムのその他情報

1. 製造方法

酸化ジルコニウムの製造には、湿式精製法と乾式精製法の2種類があり、それぞれ異なる手法で精製が行われます。どちらの方法も、ジルコンやハデライトなどのジルコニウム鉱石が原料です。

湿式精製法では、まず鉱石を選別し、苛性ソーダで溶融した後、塩酸を用いて分解・濃縮する工程が行われます。その後、水洗や濾過を経て水酸化ジルコニウムを抽出し、焼成と粉砕を施すことで酸化ジルコニウムの粉末が取得可能です。一方、乾式精製法では、鉱石を細かく粉砕して不純物を取り除き、選鉱を繰り返すことで純度の高い酸化ジルコニウムを精製します。

2. ジルコニウムとの違い

ジルコニウムは金属であり、原子同士が金属結合によって結び付いています。一方、酸化ジルコニウムはセラミック材料であり、原子間の結合はより強固な共有結合が主体です。

また、ジルコニウムは環境中の酸素や硫黄といった腐食性元素と反応しやすく、比較的容易に酸化や腐食が進みます。一方で、酸化ジルコニウムは高い耐食性を持ち、ほとんど腐食することがありません。

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