氧化鋯陶瓷介紹

2021/10/11 分類:氧化鋯特陶百科結構陶瓷耐磨損高強度高硬度 1211 0

概要：純ZrO2為白色，含雜質時呈黃色或灰色，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：單斜(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，熔點為2715℃。

知識點名稱：氧化鋯陶瓷

關鍵詞：氧化鋯,ZrO2,PSZ,TZP,氧傳感器,固體氧化物燃料電池,高溫發熱體

相關概念和介紹：

在常壓下純ZrO2共有三種晶態：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
上述三種晶態具有不同的理化特性，在實際應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定劑制成不同類型的氧化鋯陶瓷，如部分穩定氧化鋯(partially stabilized zirconia，PSZ)，當穩定劑為CaO、 MgO、Y2O3時，分別表示為Ca-PSZ、 Mg-PSZ、 Y-PSZ等。由亞穩的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、蒸發法、超臨界合成法、微乳液法、水熱合成法網及氣相沉積法等。

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、膠態凝固成型等。其中使用最廣泛的是注塑與干壓成型。

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

加工

氧化鋯陶瓷在生坯或餅干形式時，它可以相對容易地加工成復雜的幾何形狀。然而，使材料完全致密化所需的燒結過程會導致主體收縮約 20%。這種收縮意味著在加工預燒結時不可能保持非常嚴格的公差。為了達到非常嚴格的公差，必須使用金剛石工具對完全燒結的材料進行加工/研磨。在這個過程中，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，這可能是一個耗時且昂貴的過程。

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到的.氧化鋯有三種晶體形態：單斜、四方、立方晶相。常溫下氧化鋯只以單斜相出現，加熱到1100℃左右轉變為四方相，加熱到更高溫度會轉化為立方相。由于在單斜相向四方相轉變的時候會產生較大的體積變化，冷卻的時候又會向相反的方向發生較大的體積變化，容易造成產品的開裂，限制了純氧化鋯在高溫領域的應用。但是添加穩定劑以后，四方相可以在常溫下穩定，因此在加熱以后不會發生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應用范圍。市場上用來做穩定劑的原料主要是氧化釔。

氧化釔部分穩定氧化鋯 (Y-PSZ)：氧化釔 (Y2O3) 作為穩定劑，它可以增強內部晶粒結構，并通過將材料從單斜晶轉變為四方晶相來增強材料的強度。它是一種細晶粒材料，在所有陶瓷材料中具有最高的抗彎強度。它具有非常高的抗沖擊性和耐磨性，同時提供低導熱性，通常使其成為替代金屬的合適材料。添加氧化釔 (Yttria) 使材料能夠進行轉變增韌，這是高韌性的原因。當材料受到應力時，晶體結構從四方相轉變為單斜相變得更有活力，從而導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，從而降低了其生長和傳播到更多裂縫的能力。這一特性解釋了材料對應力疲勞的低敏感性和高抗彎強度。

氧化鎂部分穩定氧化鋯 (MSZ)：用氧化鎂 (MgO) 摻雜氧化鋯也會導致內部基體受壓，然而，這種結構是立方的。M-PSZ 具有更好的耐溫、耐濕性能，因為它不受相遷移的影響。即使在 YSZ 機械性能開始惡化的潮濕高溫環境中，M-PSZ 也能保持其強度。

應用:

在結構陶瓷方面，由于氧化鋯陶瓷具有高韌性、高抗彎強度和高耐磨性，優異的隔熱性能，熱膨脹系數接近于鋼等優點，因此被廣泛應用于結構陶瓷領域。主要有：Y-TZP磨球、分散和研磨介質、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，其優異的耐高溫性能作為感應加熱管、耐火材料、發熱元件使用。氧化鋯陶瓷具有敏感的電性能參數，主要應用于氧傳感器、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）和高溫發熱體等領域。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、醫療、保健、耐火材料、紡織等領域正得到廣泛應用。

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