氧化鋯材料種類及應(yīng)用
氧化鋯材料種類及應(yīng)用
【摘要】：論述了氧化鋯的基本性能，并對(duì)氧化鋯材料自問世以來被人類所利用的領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)目前除被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)領(lǐng)域耐火材料、結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的一支奇琶，倍受世人矚目。
【關(guān)鍵詞】：氧化鋯，應(yīng)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(yōu)良導(dǎo)電性能的無機(jī)非金屬材料，20世紀(jì)20年代初即被應(yīng) 用于耐火材料領(lǐng)域，直到上世紀(jì)70年代中期以來，國際 上歐美日先進(jìn)國家竟相投人具資研究開發(fā)氧化鋯生產(chǎn)技 術(shù)和氧化鋯系列產(chǎn)品生產(chǎn)，進(jìn)一步將氧化鋯的應(yīng)用領(lǐng)域 擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)材料和功能材料，同時(shí)氧化鋯也是國家產(chǎn)業(yè) 政策中鼓勵(lì)重點(diǎn)發(fā)展的高性能新材料之一，目前正廣泛 地被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)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(yīng)用，并對(duì)氧化銷材料的發(fā)展前景進(jìn)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(zhuǎn)化關(guān)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(xué)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(zhuǎn)變伴隨有7%左右的體積變 化。加熱時(shí)由單斜Zr02轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆絑r02，體積收縮，冷 卻時(shí)由四方Zr02轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡盳r02，體積膨脹。但這種收 縮與膨脹并不發(fā)生在同一溫度，前者約在1200℃，后者 約在 1000℃。
由于晶型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積變化，會(huì)造成開裂，故單純的氧化鋯陶瓷很難生產(chǎn)，通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)加入適量的晶型穩(wěn)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(wěn)定的四方和立方氧化鋯在室溫也能以穩(wěn)定或亞穩(wěn)定形式存在， 形成無異常膨脹、收縮的立方、四方晶型的穩(wěn)定氧化鋯 (FSZ)和部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ)。
氧化鋯中隨著穩(wěn)定劑加人量的不同，會(huì)產(chǎn)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(yīng)力集中，阻止裂紋擴(kuò)展，提高陶瓷材料的軔性，從此氧化鋯相變?cè)鲰g陶瓷的研究和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，主要有三種類型：部分穩(wěn)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(yīng)用領(lǐng)域 2.1氧化鋯耐火材料
氧化鋯從20世紀(jì)20年代初就被應(yīng)用于耐火材料領(lǐng) 域，直至今天在耐火材料領(lǐng)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(diǎn)髙達(dá)27001C,即使加熱到 1900多攝氏度也不會(huì)與熔融的鋁、鐵、鎳，鉑等金屬， 硅酸鹽和酸性爐渣等發(fā)生反應(yīng)，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(huán) 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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕、抗氧化、不 易揮發(fā)、無污染。這些優(yōu)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(xué)攻關(guān)的氧化鋯 纖維技術(shù)目前已經(jīng)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(guān)鍵部位，早期使用的鋯質(zhì)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(zhì)耐火材料，將其使用在玻璃窯頂部和關(guān)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(jí)隔熱磚，避免了陶瓷纖維老化后的粉塵污染問題，主要生產(chǎn)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(jié)構(gòu)陶瓷
1975年澳大利亞R.G.Garvie以氧化鈣為穩(wěn)定劑制 得部分穩(wěn)定氧化鋯，并首次利用氧化鋯馬氏體相變?cè)鲰g 的效應(yīng)，提高了韌性和強(qiáng)度，極大的擴(kuò)展了氧化鋯在結(jié) 構(gòu)陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)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(diǎn)，可用于極度惡劣環(huán)境及特殊工況。
目前氧化鋯陶瓷軸承已被微型冷卻風(fēng)扇所采用，其產(chǎn)品壽命及噪音穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)的滾珠及滑動(dòng)軸承系統(tǒng)，富士康公司率先在電腦散熱風(fēng)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(gè)行業(yè)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(jīng)歷 過材料及結(jié)構(gòu)的改變，但由于受金屬材料自身的限制， 金屬的腐蝕破壞對(duì)閥門耐磨性的作用期限、可靠性、使 用壽命具有相當(dāng)大的影響，機(jī)械和腐蝕的作用因素對(duì)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(shí)的機(jī)械作用和金屬與環(huán)境 進(jìn)行化學(xué)的或電化學(xué)的相互作用的結(jié)杲產(chǎn)生磨損和破壞， 對(duì)于閥門而言，其管道工作氣候條件的復(fù)雜；石油、天 然氣和油層水等介質(zhì)中硫化氫、二氧化碳和某些有機(jī)酸 的出現(xiàn)，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(yōu)良的耐磨性.防腐性、抗高溫?zé)?震性，能夠勝任這一領(lǐng)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(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)氧化鋯材料密度大，用做研磨介質(zhì)時(shí)撞擊能量強(qiáng)，可大大提高研磨分散效率，可有效縮短研磨時(shí)間。
良好的化學(xué)穩(wěn)定性決定了其耐腐蝕性，可以在酸性和堿性介質(zhì)中使用。
由中國建筑材料科學(xué)研究院研究開發(fā)的氧化鋯陶瓷磨球，磨損率僅為0.04/24h,在球磨、振動(dòng)磨、行星磨 和攪拌磨等磨機(jī)中被廣泛采用當(dāng)作研磨介質(zhì)。
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(chǎng)，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(jīng)常出現(xiàn)斷線、掉珠、死珠、蘸頭等現(xiàn)象，目前由 河北省勇龍邦大新材料有限公司與清華大學(xué)新型陶瓷與 工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(bǔ)了國內(nèi)空白，該科技成果 已被列為國家制筆行業(yè)“十一五”國家重點(diǎn)推廣新產(chǎn)品。
2.3.2氧化鋯陶瓷刀具
氧化鋯陶瓷刀具具有高強(qiáng)度、耐磨損、無氧化、不生銹、耐酸堿、防靜電、不會(huì)與食物發(fā)生反應(yīng)的特點(diǎn)，同時(shí)刀體光澤如玉，是當(dāng)今世界理想的高科技綠色刀具，目前市場(chǎng)主要產(chǎn)品有：氧化鋯陶瓷餐刀、剪刀、剃須刀、手術(shù)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(fā)熱材料
氧化鋯在常溫下為絕緣材料，比電阻高達(dá) 1015ΩNaN,溫度升高至600℃可以導(dǎo)電，而在1000C 以上時(shí)是良導(dǎo)體，可作1800C高溫發(fā)熱元件，最高工作 溫度可以達(dá)到2400C，目前已經(jīng)被成功地用于2000C以 上氧化氣氛下的發(fā)熱元件及其設(shè)備中，磁流體發(fā)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(zhì)量和患者身體健康，因烤瓷牙的內(nèi)冠是由不同金屬材料制作而成，金屬內(nèi)冠易與口腔唾液發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化鋯材質(zhì)的烤瓷牙由于沒有金屬內(nèi)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(huán)素牙患者的牙齒美容需求，而且氧化鋯材質(zhì)的強(qiáng)軔性彌補(bǔ)了普通烤瓷牙易蹦缺的缺點(diǎn)，生物相容性好，不刺激口腔粘膜組織，易于清潔，是目前國內(nèi)外最優(yōu)質(zhì)的烤瓷牙。
2.3.5氧化鋯涂層材料
髙性能Y2〇3等穩(wěn)定劑穩(wěn)定的氧化鋯熱障陶瓷涂層材 料，主要應(yīng)用于高性能渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
2.3.6氧化鋯通訊材料
近年來隨著信息及通信等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其產(chǎn)品越來越向高精密、小型化方向發(fā)展，增韌氧化鋯陶瓷優(yōu)良的力學(xué)性能、耐腐蝕及高絕緣性能能夠勝任這一領(lǐng)域, 目前已有氧化鋯陶瓷插針和氧化鋯陶瓷套筒產(chǎn)品問世。
在陶瓷PC型光纖活動(dòng)連接器中，二氧化鋯插針體 是其關(guān)鍵部件。
2.3.7氧化鋯氧傳感器
汽車工業(yè)中在使用三效催化轉(zhuǎn)化器降低排放污染的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)用最多的就是氧化鋯式氧傳感器。
早在20世紀(jì)70年代中期，日本汽車生產(chǎn)技術(shù)完備 卻難以進(jìn)入美國市場(chǎng)，但美國制定新政策限制汽車尾氣 污染給日本帶來了機(jī)會(huì)，日本科學(xué)家把氧化鋯制成多孔 氧傳感器，裝在發(fā)動(dòng)機(jī)里自動(dòng)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)里氧氣與燃燒 氣體的比例，并自動(dòng)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(chǎng)。
2.4氧化鋯裝飾材料
傳統(tǒng)意義上的裝飾陶瓷由普通硅酸鹽系統(tǒng)材料制作而成，例如：陳設(shè)瓷中的花瓶、陶瓷畫板、室內(nèi)外裝潢用陶瓷墻地磚等。氧化鋯裝飾材料開創(chuàng)了人類美化自身的新領(lǐng)域，目前主要應(yīng)用于單純的佩飾品及兼有應(yīng)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(tài)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(diǎn)，自然形成的立方氧化鋯顏色非常豐富，大顆優(yōu)質(zhì)的天然鋯石價(jià)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(xué)性能良好，是廉價(jià)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(yè)二氧化鋯、高純二氧化鋯、穩(wěn)定 二氧化鋯、超細(xì)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(chǎng)正悄然興 起的一類產(chǎn)品，國內(nèi)已有陶瓷生產(chǎn)公司在研究、開發(fā)、 銷售這類產(chǎn)品過程中走在了同行業(yè)的前列，對(duì)這一產(chǎn)業(yè) 政府也給予了高度重視，2006年北京市科技型中小企業(yè) 技術(shù)創(chuàng)新基金無償資助項(xiàng)目中就有彩色氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷 的研制，市面上有近300多種新的陶瓷佩飾產(chǎn)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(chǎn)品在歐、美、日和中國香港等地區(qū)均有很好的市場(chǎng)， 特別受到歐洲市場(chǎng)的青睞。（3)兼有應(yīng)用功能的佩飾品, 典型的產(chǎn)品是陶瓷手表表殼、表圈、表帶等產(chǎn)品，國際 知名品牌Chanel/香奈爾、RADO/雷達(dá)等手表均有全 陶瓷款式，而且價(jià)格不菲。
2.5氧化鋯其它應(yīng)用
2.5.1與氧化鋯形成復(fù)相材料
與其它材料復(fù)合形成的復(fù)相材料，比如氧化鋯與氧化鋁、莫來石等材料形成的復(fù)相材料，得到了比單相材料具有更優(yōu)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(yīng)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(zhì)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(kuò)大高溫粘度變化的溫度范圍，有較好的熱穩(wěn)定性，其含量為2%~3%時(shí)，能提高釉料的抗 龜裂性能，還因氧化鋯的化學(xué)惰性大，能提高釉料的化 學(xué)穩(wěn)定性和抗酸堿侵蝕的能力，有時(shí)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(yīng)生成，它們都是大分子結(jié)構(gòu)，具有各種電性能，為高溫，電子元器件等領(lǐng)域所應(yīng)用。
3氧化鋯發(fā)展前景
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)于氧化鋯的認(rèn)識(shí)必將更進(jìn)一步深人，氧化鋯定會(huì)以新的面貌出現(xiàn)，近幾年國內(nèi)的一些公司已能夠生產(chǎn)高質(zhì)量超細(xì)氧化鋯粉體，且大部分產(chǎn)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(fā)展應(yīng)朝著超細(xì)、高純方向發(fā)展，產(chǎn)品制造方面應(yīng)朝著新功能，新應(yīng)用領(lǐng)域方向發(fā)展，不斷擴(kuò)大氧化鋯應(yīng)用領(lǐng)域。
4結(jié)語
通過以上所述發(fā)現(xiàn)，目前氧化鋯陶瓷材料應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸發(fā)展到裝飾陶瓷領(lǐng)域、珠寶首飾品領(lǐng)域，高檔奢侈品消費(fèi)領(lǐng)域，正沿著種類、功能多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。
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