氧化鋯材料種類及應用
氧化鋯材料種類及應用
【摘要】：論述了氧化鋯的基本性能，并對氧化鋯材料自問世以來被人類所利用的領域進行了詳細的研究，發現目前除被廣泛應用于傳統領域耐火材料、結構材料、功能材料、寶石材料之外，正逐漸被裝飾陶瓷所采納，如彩色氧化鋯陶瓷、陶瓷首飾等異軍突起，成為裝飾陶瓷領域的一支奇琶，倍受世人矚目。
【關鍵詞】：氧化鋯，應用，裝飾陶瓷
引言
氧化鋯是一種耐高溫、耐腐蝕、耐磨損而且具有優良導電性能的無機非金屬材料，20世紀20年代初即被應 用于耐火材料領域，直到上世紀70年代中期以來，國際 上歐美日先進國家竟相投人具資研究開發氧化鋯生產技 術和氧化鋯系列產品生產，進一步將氧化鋯的應用領域 擴展到結構材料和功能材料，同時氧化鋯也是國家產業 政策中鼓勵重點發展的高性能新材料之一，目前正廣泛 地被應用于各個行業中。
本文綜述了氧化鋯的基本性能及氧化鋯材料的種類和應用，并對氧化銷材料的發展前景進行了展望。
1氧化鋯基本性能
常壓下純的氧化鋯有三種晶型，低溫為單斜晶系, 密度5.65g/cm3,高溫為四方晶系，密度6.10g/cm3, 更高溫度下為立方晶系，密度6.27g/cm\其相互間的 轉化關系如下：
1170 2370 2715C
單斜Zr02 —四方Zr02 —立方Zr02 —熔體
天然Zr〇2和用化學法得到的Zr〇2屬于單斜晶系。 單斜晶型與四方晶型之間的轉變伴隨有7%左右的體積變 化。加熱時由單斜Zr02轉變為四方Zr02，體積收縮，冷 卻時由四方Zr02轉變為單斜Zr02，體積膨脹。但這種收 縮與膨脹并不發生在同一溫度，前者約在1200℃，后者 約在 1000℃。
由于晶型的轉變產生體積變化，會造成開裂，故單純的氧化鋯陶瓷很難生產，通過實踐發現加入適量的晶型穩定劑CaO、MgO. Y203、Ce〇2等和其他稀土氧化物, 可以使Zr02相變溫度降低至室溫以下，使高溫穩定的四方和立方氧化鋯在室溫也能以穩定或亞穩定形式存在， 形成無異常膨脹、收縮的立方、四方晶型的穩定氧化鋯 (FSZ)和部分穩定氧化鋯（PSZ)。
氧化鋯中隨著穩定劑加人量的不同，會產生不同晶型的氧化鋯，相變過程中由于體積和形狀的改變，能夠吸收能量，減少裂紋尖端應力集中，阻止裂紋擴展，提高陶瓷材料的軔性，從此氧化鋯相變增韌陶瓷的研究和應用得到了迅速的發展，主要有三種類型：部分穩定氧化鋯陶瓷，四方氧化鋯多晶體陶瓷，氧化鋯增韌陶瓷。
2氧化鋯應用領域 2.1氧化鋯耐火材料
氧化鋯從20世紀20年代初就被應用于耐火材料領 域，直至今天在耐火材料領域仍然占有一席之地。
2.1.1氧化鋯坩堝
如前所述氧化鋯的熔點髙達27001C,即使加熱到 1900多攝氏度也不會與熔融的鋁、鐵、鎳，鉑等金屬， 硅酸鹽和酸性爐渣等發生反應，所以用氧化鋯材料制作 的坩堝能成功地熔煉鉑、鈀、釕、銫等鉑族貴金屬及其 合金，亦可用來熔煉鉀、鈉、石英玻璃以及氧化物和鹽 類等。
2.1.2氧化鋯耐火纖維
氧化鋯纖維是唯一一種能夠在1600C以上超高溫環 境下長期使用的陶瓷纖維耐火材料，具有比氧化鋁纖維、 莫來石纖維、硅酸鋁纖維等更高的使用溫度和更好的隔 熱性能，并且高溫化學性質穩定、耐腐蝕、抗氧化、不 易揮發、無污染。這些優異特性決定了氧化鋯纖維是一 種頂尖的高檔耐火纖維材由南京理工大學攻關的氧化鋯 纖維技術目前已經取得比較成熟的制備工藝。
2.1.3氧化鋯窯爐材料
氧化鋯作為耐火材料主要用在大型玻璃池窯的關鍵部位，早期使用的鋯質耐火材料，其氧化鋯含量僅為 33%~35%,日本旭硝子公司研制成功含氧化鋯94%~95% 的鋯質耐火材料，將其使用在玻璃窯頂部和關鍵部位, 大大提高了玻璃窯的壽命。
將氧化鋯熔融、吹制后得到大小不同的氧化鋯空心球，制備各種高級隔熱磚，避免了陶瓷纖維老化后的粉塵污染問題，主要生產廠家有洛陽耐火材料研究院和山東第二耐火材料廠。
2.2氧化鋯結構陶瓷
1975年澳大利亞R.G.Garvie以氧化鈣為穩定劑制 得部分穩定氧化鋯，并首次利用氧化鋯馬氏體相變增韌 的效應，提高了韌性和強度，極大的擴展了氧化鋯在結 構陶瓷領域的應用。
2.2.1氧化鋯陶瓷軸承
氧化鋯全陶瓷軸承具抗磁電絕緣、耐磨、耐腐蝕，無油自潤滑、耐高溫、耐高寒等特點，可用于極度惡劣環境及特殊工況。
目前氧化鋯陶瓷軸承已被微型冷卻風扇所采用，其產品壽命及噪音穩定性均優于傳統的滾珠及滑動軸承系統，富士康公司率先在電腦散熱風扇上采用了氧化鋯陶瓷軸承。
2.2.2氧化鋯陶瓷閥門
目前，我國各個行業中普遍使用的閥門是金屬閥門，金屬閥門的使用也有100多年的歷史，期間雖然也經歷 過材料及結構的改變，但由于受金屬材料自身的限制， 金屬的腐蝕破壞對閥門耐磨性的作用期限、可靠性、使 用壽命具有相當大的影響，機械和腐蝕的作用因素對金 屬的作用大大地增加了接觸表面總的磨損量，閥門操作 過程中，摩擦的表面由于同時的機械作用和金屬與環境 進行化學的或電化學的相互作用的結杲產生磨損和破壞， 對于閥門而言，其管道工作氣候條件的復雜；石油、天 然氣和油層水等介質中硫化氫、二氧化碳和某些有機酸 的出現，使其表面的破壞力增大，從而迅速失去工作能力。
氧化鋯陶瓷閥門優良的耐磨性.防腐性、抗高溫熱 震性，能夠勝任這一領域。
2.2.3氧化鋯研磨材料
氧化鋯磨球具有硬度大、磨損率小、使用壽命長、可大幅減少研磨原料的污染，能夠很好地保證產品質量，同時氧化鋯材料密度大，用做研磨介質時撞擊能量強，可大大提高研磨分散效率，可有效縮短研磨時間。
良好的化學穩定性決定了其耐腐蝕性，可以在酸性和堿性介質中使用。
由中國建筑材料科學研究院研究開發的氧化鋯陶瓷磨球，磨損率僅為0.04/24h,在球磨、振動磨、行星磨 和攪拌磨等磨機中被廣泛采用當作研磨介質。
2.3氧化鋯功能陶瓷
2.3.1圓珠筆用氧化鋯陶瓷球珠
我國是制筆大國，國際上每5支筆中有4支來自中國， 已形成近800億元/年的市場，一般情況下，圓珠筆用 球珠主要是不銹鋼和炭化鎢材料，但這類球珠在書寫過 程中經常出現斷線、掉珠、死珠、蘸頭等現象，目前由 河北省勇龍邦大新材料有限公司與清華大學新型陶瓷與 工藝國家重點實驗室共同研制的“圓珠筆用氧化鋯陶瓷 球珠”克服了以上缺陷，填補了國內空白，該科技成果 已被列為國家制筆行業“十一五”國家重點推廣新產品。
2.3.2氧化鋯陶瓷刀具
氧化鋯陶瓷刀具具有高強度、耐磨損、無氧化、不生銹、耐酸堿、防靜電、不會與食物發生反應的特點，同時刀體光澤如玉，是當今世界理想的高科技綠色刀具，目前市場主要產品有：氧化鋯陶瓷餐刀、剪刀、剃須刀、手術刀等，近幾年在歐、美、日、韓等地已開始流行。
2.3.3氧化鋯高溫發熱材料
氧化鋯在常溫下為絕緣材料，比電阻高達 1015ΩNaN,溫度升高至600℃可以導電，而在1000C 以上時是良導體，可作1800C高溫發熱元件，最高工作 溫度可以達到2400C，目前已經被成功地用于2000C以 上氧化氣氛下的發熱元件及其設備中，磁流體發電的電 極材料也在積極的研究之中。
2.3.4氧化鋯生物陶瓷材料
烤瓷牙家族中的貴族一氧化鋯烤瓷牙，烤瓷牙材料的好壞直接影響它的質量和患者身體健康，因烤瓷牙的內冠是由不同金屬材料制作而成，金屬內冠易與口腔唾液發生氧化反應，氧化鋯材質的烤瓷牙由于沒有金屬內冠層，牙齒透明度好，光澤度極佳，更有效避免了牙齒過敏和牙齦黑線等問題，具有足夠好的遮色能力，能夠完美解決重度四環素牙患者的牙齒美容需求，而且氧化鋯材質的強軔性彌補了普通烤瓷牙易蹦缺的缺點，生物相容性好，不刺激口腔粘膜組織，易于清潔，是目前國內外最優質的烤瓷牙。
2.3.5氧化鋯涂層材料
髙性能Y2〇3等穩定劑穩定的氧化鋯熱障陶瓷涂層材 料，主要應用于高性能渦輪航空發動機。
2.3.6氧化鋯通訊材料
近年來隨著信息及通信等新興產業的發展，其產品越來越向高精密、小型化方向發展，增韌氧化鋯陶瓷優良的力學性能、耐腐蝕及高絕緣性能能夠勝任這一領域, 目前已有氧化鋯陶瓷插針和氧化鋯陶瓷套筒產品問世。
在陶瓷PC型光纖活動連接器中，二氧化鋯插針體 是其關鍵部件。
2.3.7氧化鋯氧傳感器
汽車工業中在使用三效催化轉化器降低排放污染的發動機上，氧傳感器是必不可少的，目前使用的氧傳感器有氧化鈦式和氧化鋯式兩種，其中應用最多的就是氧化鋯式氧傳感器。
早在20世紀70年代中期，日本汽車生產技術完備 卻難以進入美國市場，但美國制定新政策限制汽車尾氣 污染給日本帶來了機會，日本科學家把氧化鋯制成多孔 氧傳感器，裝在發動機里自動檢測發動機里氧氣與燃燒 氣體的比例，并自動控制輸入氣體和排出氣體的比例， 從而大大減少汽車排放的有害氣體，使日本汽車一舉打 入美國市場。
2.4氧化鋯裝飾材料
傳統意義上的裝飾陶瓷由普通硅酸鹽系統材料制作而成，例如：陳設瓷中的花瓶、陶瓷畫板、室內外裝潢用陶瓷墻地磚等。氧化鋯裝飾材料開創了人類美化自身的新領域，目前主要應用于單純的佩飾品及兼有應用功能的佩飾品。
2.4.1氧化鋯寶石材料
氧化鋯寶石材料分為天然立方氧化鋯和人工合成立方氧化鋯兩種。
自然狀態下天然的立方氧化鋯極難尋找到，決定了其具有了寶石材料稀有性的特點，自然形成的立方氧化鋯顏色非常豐富，大顆優質的天然鋯石價格決不在同等的鉆石之下，是非常稀少的貴重天然寶石。
人工合成立方氧化鋯光學性能良好，是廉價而有美麗的鉆石替代品。
2.4.2氧化鋯陶瓷首飾
氧化鋯陶瓷首飾目前主要有以下幾種類型：（1)鑲 嵌了氧化鋯的銀首飾，在這里氧化鋯的范圍就比較寬廣, 包括二氧化鋯石、工業二氧化鋯、高純二氧化鋯、穩定 二氧化鋯、超細二氧化鋯、鋯英砂、鋯英粉等，鑲有立 方氧化鋯的銀鍍銠的首飾特別受歐洲客戶的青睞。（2) 單純氧化鋯材料佩飾品，是目前裝飾陶瓷市場正悄然興 起的一類產品，國內已有陶瓷生產公司在研究、開發、 銷售這類產品過程中走在了同行業的前列，對這一產業 政府也給予了高度重視，2006年北京市科技型中小企業 技術創新基金無償資助項目中就有彩色氧化鋯結構陶瓷 的研制，市面上有近300多種新的陶瓷佩飾產品，既包 括各種新型的款式也包括各種色澤明快的顏色，而且該 類產品在歐、美、日和中國香港等地區均有很好的市場， 特別受到歐洲市場的青睞。（3)兼有應用功能的佩飾品, 典型的產品是陶瓷手表表殼、表圈、表帶等產品，國際 知名品牌Chanel/香奈爾、RADO/雷達等手表均有全 陶瓷款式，而且價格不菲。
2.5氧化鋯其它應用
2.5.1與氧化鋯形成復相材料
與其它材料復合形成的復相材料，比如氧化鋯與氧化鋁、莫來石等材料形成的復相材料，得到了比單相材料具有更優異性能的新材料。
2.5.2普通陶瓷添加劑
陶瓷色釉料方面的應用：氧化鋯為黃綠色顏料良好的助色劑，若想獲得性能較好的釩鋯黃顏料，必須選用質純的氧化鋯，另外在釉料制造方面，純的氧化鋯可以提高釉的高溫粘度和擴大高溫粘度變化的溫度范圍，有較好的熱穩定性，其含量為2%~3%時，能提高釉料的抗 龜裂性能，還因氧化鋯的化學惰性大，能提高釉料的化 學穩定性和抗酸堿侵蝕的能力，有時也被用來制作乳濁 釉。
2.5.3制備鉻酸鹽原料
制備鋯酸鹽的原料，由二氧化鋯和一些金屬氧化物或金屬碳酸鹽反應生成，它們都是大分子結構，具有各種電性能，為高溫，電子元器件等領域所應用。
3氧化鋯發展前景
隨著現代科學技術和測試技術的發展，人類對于氧化鋯的認識必將更進一步深人，氧化鋯定會以新的面貌出現，近幾年國內的一些公司已能夠生產高質量超細氧化鋯粉體，且大部分產品出口，但是在粉料制備方面仍然整體處于較落后水平，今后的發展應朝著超細、高純方向發展，產品制造方面應朝著新功能，新應用領域方向發展，不斷擴大氧化鋯應用領域。
4結語
通過以上所述發現，目前氧化鋯陶瓷材料應用領域正逐漸發展到裝飾陶瓷領域、珠寶首飾品領域，高檔奢侈品消費領域，正沿著種類、功能多樣化的趨勢發展。
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