氧化鋯陶瓷簡介

氧化鋯陶瓷，ZrO2陶瓷，Zirconia Ceramic具有熔點和沸點高、硬度大、常溫下為絕緣體、而高溫下則具有導電性等優(yōu)良性質(zhì)。

純ZrO2為白色，含雜質(zhì)時呈黃色或灰色，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)：單斜(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：

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)，當穩(wěn)定劑為CaO、 MgO、Y2O3時，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)。當加入的穩(wěn)定劑是Y2O3 、CeO2，則分別表示為Y-TZP、Ce-TZP等。

氧化鋯陶瓷的生產(chǎn)要求制備高純、分散性能好、粒子超細、粒度分布窄的粉體，氧化鋯超細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。

氧化鋯陶瓷成型

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。

（1）注漿成型

注漿成型的成型過程包括物理脫水過程和化學凝聚過程，物理脫水通過多孔的石膏模的毛細作用排除漿料中的水分，化學凝聚過程是因為在石膏模表面CaSO4 的溶解生成的Ca2 提高了漿料中的離子強度，造成漿料的絮凝。在物理脫水和化學凝聚的作用下，陶瓷粉體顆粒在石膏模壁上沉積成型。注漿成型適合制備形狀復雜的大型陶瓷部件，但坯體質(zhì)量，包括外形、密度、強度等都較差，工人勞動強度大且不適合自動化作業(yè)。

（2）熱壓注成型

熱壓注成型是在較高溫度下（60~100℃）使陶瓷粉體與粘結(jié)劑（石蠟）混合，獲得熱壓鑄用的料漿，漿料在壓縮空氣的作用下注入金屬模具，保壓冷卻，脫模得到蠟坯，蠟坯在惰性粉料保護下脫蠟后得到素坯，素坯再經(jīng)高溫燒結(jié)成瓷。熱壓注成型的生坯尺寸精確，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，模具磨損較小，生產(chǎn)效率高，適合各種原料。蠟漿和模具的溫度需嚴格控制，否則會引起欠注或變形，因此不適合用來制造大型部件，同時兩步燒成工藝較為復雜，能耗較高。

（3）流延成型

流延成型是把陶瓷粉料與大量的有機粘結(jié)劑、增塑劑、分散劑等充分混合，得到可以流動的粘稠漿料，把漿料加入流延機的料斗，用刮刀控制厚度，經(jīng)加料嘴向傳送帶流出，烘干后得到膜坯。此工藝適合制備薄膜材料，為了獲得較好的柔韌性而加入大量的有機物，要求嚴格控制工藝參數(shù)，否則易造成起皮、條紋、薄膜強度低或不易剝離等缺陷。所用的有機物有毒性，會產(chǎn)生環(huán)境污染，應(yīng)盡可能采用無毒或少毒體系，減少環(huán)境污染。

氧化鋯陶瓷脫脂排膠

除了以干壓為基礎(chǔ)的成型技術(shù)外，其它工藝成型的產(chǎn)品都要進行脫脂排膠處理后方可入爐燒結(jié)，因為除干壓成型外的其它工藝會在成型時在鋯粉里加入一定比例的塑化劑，這些塑化劑在產(chǎn)品成型后就必須去除，不然會對燒結(jié)出的產(chǎn)品造成嚴重的品質(zhì)影響。塑化劑主要為石蠟及其它高分子材料所構(gòu)成，要求這些材料在一定溫度下表現(xiàn)出具有很好的塑性與流動性，常溫下則要有一定的韌性及強度。

氧化鋯陶瓷燒結(jié)

氧化鋯陶瓷可采用的燒結(jié)方法通常有： ⑴無壓燒結(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。常以無壓燒結(jié)為主。

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，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。

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到的！

純凈的氧化鋯是白色固體，含有雜質(zhì)時會顯現(xiàn)灰色或淡黃色，添加顯色劑還可顯示各種其它顏色。純氧化鋯的分子量為123.22，理論密度是5.89g/cm3，熔點為2715℃。通常含有少量的氧化鉿，難以分離，但是對氧化鋯的性能沒有明顯的影響。氧化鋯有三種晶體形態(tài)：單斜、四方、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D(zhuǎn)化為立方相。由于在單斜相向四方相轉(zhuǎn)變的時候會產(chǎn)生較大的體積變化，冷卻的時候又會向相反的方向發(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發(fā)生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應(yīng)用范圍。市場上用來做穩(wěn)定劑的原料主要是氧化釔。