氧化锆陶瓷介绍

2021/10/11 分类:氧化锆特陶百科结构陶瓷耐磨损高强度高硬度 1117 0

概要：纯ZrO2为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般含有HfO2，不易分离。世界上已探明的锆资源约为1900万吨，氧化锆通常是由锆矿石提纯制得。在常压下纯ZrO2共有三种晶态：单斜(Monoclinic)氧化锆(m-ZrO2)、四方氧化锆(t-ZrO2)和立方(Cubic)氧化锆(c-ZrO2)。氧化锆是一种特殊的材料，增韧的方法主要是利用氧化锆的相变.纯氧化锆的分子量为123.22，理论密度是5.89g/cm3，熔点为2715℃。

知识点名称：氧化锆陶瓷

关键词：氧化锆,ZrO2,PSZ,TZP,氧传感器,固体氧化物燃料电池,高温发热体

相关概念和介绍：

在常压下纯ZrO2共有三种晶态：单斜(Monoclinic)氧化锆(m-ZrO2)、四方氧化锆(t-ZrO2)和立方(Cubic)氧化锆(c-ZrO2)，上述三种晶型存在于不同的温度范围，并可以相互转化：
晶型　温度密度
单斜(Monoclinic)氧化锆(m-ZrO2)　 <950℃　 5.65g/cc
四方(Square)氧化锆(t-ZrO2)　 1200-2370℃　 6.10g/cc
立方(Cubic)氧化锆(c-ZrO2) >2370℃ 6.27g/cc
上述三种晶态具有不同的理化特性，在实际应用为获得所需要的晶形和使用性能，通常加入不同类型的稳定剂制成不同类型的氧化锆陶瓷，如部分稳定氧化锆(partially stabilized zirconia，PSZ)，当稳定剂为CaO、 MgO、Y2O3时，分别表示为Ca-PSZ、 Mg-PSZ、 Y-PSZ等。由亚稳的t- ZrO2组成的四方氧化锆称之为四方氧化锆多晶体陶瓷(Square zirconia polycrysta，TZP)。当加入的稳定剂是Y2O3 、CeO2，则分别表示为Y-TZP、Ce-TZP等。

粉体制备
氧化锆陶瓷的生产要求制备高纯、分散性能好、粒子超细、粒度分布窄的粉体，氧化锆超细粉末的制备方法很多，氧化锆的提纯主要有氯化和热分解法、碱金属氧化分解法、石灰熔融法、等离子弧法、沉淀法、胶体法、水解法、喷雾热解法等。粉体加工方法有共沉淀法、溶胶一凝胶法、蒸发法、超临界合成法、微乳液法、水热合成法网及气相沉积法等。

成型
氧化锆陶瓷的成型有干压成型、等静压成型、注浆成型、热压铸成型、流延成型、注射成型、塑性挤压成型、胶态凝固成型等。其中使用最广泛的是注塑与干压成型。

烧结
氧化锆陶瓷可采用的烧结方法通常有： ⑴无压烧结，⑵热压烧结和反应热压烧结，⑶热等静压烧结（HIP），⑷微波烧结， ⑸超高压烧结， ⑹放电等离子体烧结（SPS），⑺原位加压成型烧结等。常以无压烧结为主。

加工

氧化锆陶瓷在生坯或饼干形式时，它可以相对容易地加工成复杂的几何形状。然而，使材料完全致密化所需的烧结过程会导致主体收缩约 20%。这种收缩意味着在加工预烧结时不可能保持非常严格的公差。为了达到非常严格的公差，必须使用金刚石工具对完全烧结的材料进行加工/研磨。在这个过程中，使用非常精确的金刚石涂层工具/砂轮磨掉材料，直到形成所需的形状。由于材料固有的韧性和硬度，这可能是一个耗时且昂贵的过程。

增韧方法
氧化锆是一种特殊的材料，增韧的方法，主要是利用氧化锆的相变才能达到的.氧化锆有三种晶体形态：单斜、四方、立方晶相。常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100℃左右转变为四方相，加热到更高温度会转化为立方相。由于在单斜相向四方相转变的时候会产生较大的体积变化，冷却的时候又会向相反的方向发生较大的体积变化，容易造成产品的开裂，限制了纯氧化锆在高温领域的应用。但是添加稳定剂以后，四方相可以在常温下稳定，因此在加热以后不会发生体积的突变，大大拓展了氧化锆的应用范围。市场上用来做稳定剂的原料主要是氧化钇。

氧化钇部分稳定氧化锆 (Y-PSZ)：氧化钇 (Y2O3) 作为稳定剂，它可以增强内部晶粒结构，并通过将材料从单斜晶转变为四方晶相来增强材料的强度。它是一种细晶粒材料，在所有陶瓷材料中具有最高的抗弯强度。它具有非常高的抗冲击性和耐磨性，同时提供低导热性，通常使其成为替代金属的合适材料。添加氧化钇 (Yttria) 使材料能够进行转变增韧，这是高韧性的原因。当材料受到应力时，晶体结构从四方相转变为单斜相变得更有活力，从而导致高度局部化的体积增加 3% – 5%。体积的增加使裂缝受到压缩，从而降低了其生长和传播到更多裂缝的能力。这一特性解释了材料对应力疲劳的低敏感性和高抗弯强度。

氧化镁部分稳定氧化锆 (MSZ)：用氧化镁 (MgO) 掺杂氧化锆也会导致内部基体受压，然而，这种结构是立方的。M-PSZ 具有更好的耐温、耐湿性能，因为它不受相迁移的影响。即使在 YSZ 机械性能开始恶化的潮湿高温环境中，M-PSZ 也能保持其强度。

应用:

在结构陶瓷方面，由于氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于钢等优点，因此被广泛应用于结构陶瓷领域。主要有：Y-TZP磨球、分散和研磨介质、喷嘴、球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、光纤插针、光纤套筒、拉丝模和切割工具、耐磨刀具、服装纽扣、表壳及表带、手链及吊坠、滚珠轴承、高尔夫球的轻型击球棒及其它室温耐磨零器件等。

在功能陶瓷方面，其优异的耐高温性能作为感应加热管、耐火材料、发热元件使用。氧化锆陶瓷具有敏感的电性能参数，主要应用于氧传感器、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）和高温发热体等领域。ZrO2具有较高的折射率（N-21^22），在超细的氧化锆粉末中添加一定的着色元素（V2O5, MoO3, Fe2O3等），可将它制成多彩的半透明多晶ZrO2材料，像天然宝石一样闪烁着绚丽多彩的光芒，可制成各种装饰品。另外，氧化锆在热障涂层、催化剂载体、医疗、保健、耐火材料、纺织等领域正得到广泛应用。

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