視頻：超有韌性的氧化鋯陶瓷

概要：純ZrO2為白色，含雜質(zhì)時(shí)呈黃色或灰色，一般含有HfO2，不易分離。世界上已探明的鋯資源約為1900萬(wàn)噸，氧化鋯通常是由鋯礦石提純制得。在常壓下純ZrO2共有三種晶態(tài)：?jiǎn)涡?Monoclinic)氧化鋯(m-ZrO2)、四方氧化鋯(t-ZrO2)和立方(Cubic)氧化鋯(c-ZrO2)。氧化鋯是一種特殊的材料，增韌的方法主要是利用氧化鋯的相變.純氧化鋯的分子量為123.22，理論密度是5.89g/cm3，熔點(diǎn)為2715℃。

知識(shí)點(diǎn)名稱：氧化鋯陶瓷

關(guān)鍵詞：氧化鋯,ZrO2,PSZ,TZP,氧傳感器,固體氧化物燃料電池,高溫發(fā)熱體

相關(guān)概念和介紹：

在常壓下純ZrO2共有三種晶態(tài)：?jiǎn)涡?Monoclinic)氧化鋯(m-ZrO2)、四方氧化鋯(t-ZrO2)和立方(Cubic)氧化鋯(c-ZrO2)，上述三種晶型存在于不同的溫度范圍，并可以相互轉(zhuǎn)化：
晶型　? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?溫度? ? ? ? ? ? ? ?密度
單斜(Monoclinic)氧化鋯(m-ZrO2)　 <950℃　? ? ? 5.65g/cc
四方(Square)氧化鋯(t-ZrO2)　? 1200-2370℃　? ? 6.10g/cc
立方(Cubic)氧化鋯(c-ZrO2)? ? ? ? ? >2370℃? ? ? ? ? ? ?6.27g/cc
上述三種晶態(tài)具有不同的理化特性，在實(shí)際應(yīng)用為獲得所需要的晶形和使用性能，通常加入不同類型的穩(wěn)定劑制成不同類型的氧化鋯陶瓷，如部分穩(wěn)定氧化鋯(partially stabilized zirconia，PSZ)，當(dāng)穩(wěn)定劑為CaO、 MgO、Y2O3時(shí)，分別表示為Ca-PSZ、 Mg-PSZ、 Y-PSZ等。由亞穩(wěn)的t- ZrO2組成的四方氧化鋯稱之為四方氧化鋯多晶體陶瓷(Square zirconia polycrysta，TZP)。當(dāng)加入的穩(wěn)定劑是Y2O3 、CeO2，則分別表示為Y-TZP、Ce-TZP等。

粉體制備
氧化鋯陶瓷的生產(chǎn)要求制備高純、分散性能好、粒子超細(xì)、粒度分布窄的粉體，氧化鋯超細(xì)粉末的制備方法很多，氧化鋯的提純主要有氯化和熱分解法、堿金屬氧化分解法、石灰熔融法、等離子弧法、沉淀法、膠體法、水解法、噴霧熱解法等。粉體加工方法有共沉淀法、溶膠一凝膠法、蒸發(fā)法、超臨界合成法、微乳液法、水熱合成法網(wǎng)及氣相沉積法等。

成型
氧化鋯陶瓷的成型有干壓成型、等靜壓成型、注漿成型、熱壓鑄成型、流延成型、注射成型、塑性擠壓成型、膠態(tài)凝固成型等。其中使用最廣泛的是注塑與干壓成型。

燒結(jié)
氧化鋯陶瓷可采用的燒結(jié)方法通常有： ⑴無(wú)壓燒結(jié)，⑵熱壓燒結(jié)和反應(yīng)熱壓燒結(jié)，⑶熱等靜壓燒結(jié)（HIP），⑷微波燒結(jié)， ⑸超高壓燒結(jié)， ⑹放電等離子體燒結(jié)（SPS），⑺原位加壓成型燒結(jié)等。常以無(wú)壓燒結(jié)為主。

加工

氧化鋯陶瓷在生坯或餅干形式時(shí)，它可以相對(duì)容易地加工成復(fù)雜的幾何形狀。然而，使材料完全致密化所需的燒結(jié)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致主體收縮約 20%。這種收縮意味著在加工預(yù)燒結(jié)時(shí)不可能保持非常嚴(yán)格的公差。為了達(dá)到非常嚴(yán)格的公差，必須使用金剛石工具對(duì)完全燒結(jié)的材料進(jìn)行加工/研磨。在這個(gè)過(guò)程中，使用非常精確的金剛石涂層工具/砂輪磨掉材料，直到形成所需的形狀。由于材料固有的韌性和硬度，這可能是一個(gè)耗時(shí)且昂貴的過(guò)程。

增韌方法
氧化鋯是一種特殊的材料，增韌的方法，主要是利用氧化鋯的相變才能達(dá)到的.氧化鋯有三種晶體形態(tài)：?jiǎn)涡薄⑺姆?、立方晶相。常溫下氧化鋯只以單斜相出現(xiàn)，加熱到1100℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵訜岬礁邷囟葧?huì)轉(zhuǎn)化為立方相。由于在單斜相向四方相轉(zhuǎn)變的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的體積變化，冷卻的時(shí)候又會(huì)向相反的方向發(fā)生較大的體積變化，容易造成產(chǎn)品的開裂，限制了純氧化鋯在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。但是添加穩(wěn)定劑以后，四方相可以在常溫下穩(wěn)定，因此在加熱以后不會(huì)發(fā)生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應(yīng)用范圍。市場(chǎng)上用來(lái)做穩(wěn)定劑的原料主要是氧化釔。

氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯 (Y-PSZ)：氧化釔 (Y2O3) 作為穩(wěn)定劑，它可以增強(qiáng)內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)，并通過(guò)將材料從單斜晶轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄鄟?lái)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度。它是一種細(xì)晶粒材料，在所有陶瓷材料中具有最高的抗彎強(qiáng)度。它具有非常高的抗沖擊性和耐磨性，同時(shí)提供低導(dǎo)熱性，通常使其成為替代金屬的合適材料。添加氧化釔 (Yttria) 使材料能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)變?cè)鲰g，這是高韌性的原因。當(dāng)材料受到應(yīng)力時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嘧兊酶谢盍Γ瑥亩鴮?dǎo)致高度局部化的體積增加 3% – 5%。體積的增加使裂縫受到壓縮，從而降低了其生長(zhǎng)和傳播到更多裂縫的能力。這一特性解釋了材料對(duì)應(yīng)力疲勞的低敏感性和高抗彎強(qiáng)度。

氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯 (MSZ)：用氧化鎂 (MgO) 摻雜氧化鋯也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部基體受壓，然而，這種結(jié)構(gòu)是立方的。M-PSZ 具有更好的耐溫、耐濕性能，因?yàn)樗皇芟噙w移的影響。即使在 YSZ 機(jī)械性能開始惡化的潮濕高溫環(huán)境中，M-PSZ 也能保持其強(qiáng)度。

應(yīng)用:

在結(jié)構(gòu)陶瓷方面，由于氧化鋯陶瓷具有高韌性、高抗彎強(qiáng)度和高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，熱膨脹系數(shù)接近于鋼等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。主要有：Y-TZP磨球、分散和研磨介質(zhì)、噴嘴、球閥球座、氧化鋯模具、微型風(fēng)扇軸心、光纖插針、光纖套筒、拉絲模和切割工具、耐磨刀具、服裝紐扣、表殼及表帶、手鏈及吊墜、滾珠軸承、高爾夫球的輕型擊球棒及其它室溫耐磨零器件等。

在功能陶瓷方面，其優(yōu)異的耐高溫性能作為感應(yīng)加熱管、耐火材料、發(fā)熱元件使用。氧化鋯陶瓷具有敏感的電性能參數(shù)，主要應(yīng)用于氧傳感器、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）和高溫發(fā)熱體等領(lǐng)域。ZrO2具有較高的折射率（N-21^22），在超細(xì)的氧化鋯粉末中添加一定的著色元素（V2O5, MoO3, Fe2O3等），可將它制成多彩的半透明多晶ZrO2材料，像天然寶石一樣閃爍著絢麗多彩的光芒，可制成各種裝飾品。另外，氧化鋯在熱障涂層、催化劑載體、醫(yī)療、保健、耐火材料、紡織等領(lǐng)域正得到廣泛應(yīng)用。

 

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1. 氧化鋯陶瓷
2. 氧化鋯陶瓷的性能特點(diǎn)與行業(yè)應(yīng)用

延伸閱讀：

1.氧化鋯陶瓷網(wǎng)鏈搜集

2.氧化鋯陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈全景圖2020