氧化鋯陶瓷概述

1、摘 要：ZrO2 具有熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高、硬度大、常溫下為絕緣體、而高溫下則具有導(dǎo)電性等優(yōu)良性質(zhì)，上個(gè)世紀(jì)二十年代開(kāi)始就被用來(lái)作為熔化玻璃、冶煉鋼鐵等的耐火材料。并且由于TZP 陶瓷具有高韌性、抗彎強(qiáng)度和耐磨性，以及優(yōu)異的隔熱性能，甚至其熱膨脹系數(shù)接近于金屬等優(yōu)點(diǎn)，因此 TZP 陶瓷被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。本文介紹了氧化鋯的基本性質(zhì)、氧化鋯超細(xì)粉體的制備方法、高性能氧化鋯陶瓷材料的成型工藝以及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況。 關(guān)鍵詞：氧化鋯；高性能陶瓷；制備；應(yīng)用 1 引言鋯在地殼中的儲(chǔ)量超過(guò) Cu、Zn、Sn、Ni 等金屬的儲(chǔ)量，資源豐富。世界上已探明的鋯資源約為 1900 萬(wàn)噸（以金屬鋯計(jì)），礦石品種約

2、有 20 種，主要含有如下幾種化合物：（1）二氧化鋯（單斜鋯及其各種變體）；（2）正硅酸鋯（鋯英石及其各種變體）；（3）鋯硅酸鈉、鈣、鐵等化合物（異性石、負(fù)異性石、鋯鉆石）。異性石和負(fù)異性石礦中含鋯量非常低，無(wú)工業(yè)價(jià)值，因而鋯的主要來(lái)源為單斜鋯礦和鋯英石礦，其中以鋯英石礦分布廣1。純 ZrO2 為白色，含雜質(zhì)時(shí)呈黃色或灰色，一般含有 HfO2，不易分離。單斜 ZrO2 密度3，熔點(diǎn) 2715。ZrO2 具有熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高、硬度大、常溫下為絕緣體、而高溫下則具有導(dǎo)電性等優(yōu)良性質(zhì)。上個(gè)世紀(jì)二十年代開(kāi)始就被用來(lái)作為熔化玻璃、冶煉鋼鐵等的耐火材料，從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來(lái)，隨著對(duì) ZrO2 有了更深刻的了

3、解，人們進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā) ZrO2 作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。1975 年澳大利亞 RGGarvie 以 CaO 為穩(wěn)定劑制得部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷（Ca-PSZ），并首次利用 ZrO2 馬氏體相變的增韌效應(yīng)提高了韌性和強(qiáng)度，極大的擴(kuò)展了 ZrO2 在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用2。1973 年美國(guó) RZechnall， GBaumarm，HFisele 制得 ZrO2 電解質(zhì)氧傳感器，此傳感器能正確顯示汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣、燃料比，1980 年把它應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)。1982 年日本絕緣子公司和美國(guó) Cummins 發(fā)動(dòng)機(jī)公司共同開(kāi)發(fā)出 ZrO2 節(jié)能柴油機(jī)缸套。自此，ZrO2 高性能陶瓷的研究和開(kāi)發(fā)獲得了許多進(jìn)展3

4、。2 ZrO2 晶型轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定化處理在常壓下純 ZrO2 共有三種晶態(tài)：?jiǎn)涡保∕onoclinic）氧化鋯（m-ZrO2）、四方（Tetragonal）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4：1170 2370m- ZrO2t- ZrO2c- ZrO2950 2370ZrO2 四方相與單斜相之間的轉(zhuǎn)變是馬氏體相變，由于四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕鄷r(shí)有 35%的體積膨脹和 78%的切應(yīng)變。因此，純 ZrO2 制品往往在生產(chǎn)過(guò)程（從高溫到室溫的冷卻過(guò)程）中會(huì)發(fā)生 t-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)?m-ZrO2 的相變并伴隨著體積變化而產(chǎn)生裂紋，

5、甚至碎裂，因此無(wú)多大的工程價(jià)值。但是，當(dāng)加入適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑（如 Y2O3,MgO2,CaO,CeO2 等）后，可以降低 c-ZrO2t-ZrO2 與 t-ZrO2 m-ZrO2 的相變溫度，使高溫穩(wěn)定的 c-ZrO2和 t-ZrO2 相也能在室溫下穩(wěn)定或亞穩(wěn)定存在。當(dāng)加入的穩(wěn)定劑足夠多時(shí)，高溫穩(wěn)定的 c-ZrO2 可以一直保持到室溫不發(fā)生相變。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)氧化鋯發(fā)生馬氏體相變時(shí)伴隨著體積和形狀的變化，能吸收能量，減緩裂紋尖端應(yīng)力集中，阻止裂紋的擴(kuò)展，提高陶瓷韌性。因此氧化鋯相變?cè)鲰g陶瓷的研究和應(yīng)用得到迅速發(fā)展。氧化鋯相變?cè)鲰g陶瓷有三種類(lèi)型，分別為部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷；四方氧化鋯多晶體陶瓷及氧化鋯

6、增韌陶瓷5：（1）當(dāng) ZrO2 中穩(wěn)定劑加入量在某一范圍時(shí)，高溫穩(wěn)定的 c-ZrO2 通過(guò)適當(dāng)溫度下時(shí)效處理使 c-ZrO2 大晶粒（c 相）中析出許多細(xì)小紡錘狀的 t-ZrO2（t 相）晶粒，形成 c 相和 t 相組成的雙相組織結(jié)構(gòu)。其中 c 相是穩(wěn)定的而 t 相是亞穩(wěn)定的并一直保存到室溫。在外力誘導(dǎo)下有可能誘發(fā) t 相到 m 相的馬氏體相變并伴隨體積膨脹，耗散部分能量、抵消了部分外力從而起到增韌作用，稱(chēng)為應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g。這種陶瓷稱(chēng)之為部分穩(wěn)定氧化鋯(partially stabilized zirconia，PSZ)，當(dāng)穩(wěn)定劑為 CaO、 MgO、Y2O3 時(shí)，分別表示為 Ca-PSZ、

7、 Mg-PSZ、Y-PSZ 等。（2）當(dāng) ZrO2 中穩(wěn)定劑加入量控制在適當(dāng)量時(shí)可以使 t-ZrO2 以亞穩(wěn)狀態(tài)穩(wěn)定保存到室溫，那么塊體氧化鋯陶瓷的組織結(jié)構(gòu)是亞穩(wěn)的 t- ZrO2 細(xì)晶組成的四方氧化鋯多晶體稱(chēng)之為四方氧化鋯多晶體陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP)。在外力作用下可相變 t-ZrO2 發(fā)生相變，增韌不可相變的 ZrO2 基體，使陶瓷整體的斷裂韌性改善。當(dāng)加入的穩(wěn)定劑是Y2O3、CeO2，則分別表示為 Y-TZP、Ce-TZP 等。（3）如果在不同陶瓷基體中加入一定量的 ZrO2 并使亞穩(wěn)四方氧化鋯多晶體均勻的彌散分布在陶瓷基體中，利用氧

8、化鋯相變?cè)鲰g機(jī)制使陶瓷的韌性得到明顯的改善。這種氧化鋯相變?cè)鲰g陶瓷稱(chēng)為氧化鋯(相變)增韌陶瓷(Zirconia Toughened Ceramics，ZTC)。如果陶瓷基體是 Al2O3、莫來(lái)石（Mullite）等，分別表示為 ZTA、ZTM 等。3 ZrO2 超細(xì)粉體的制備技術(shù)鋯英石的主要成分是 ZrSiO4，一般均采用各種火法冶金與濕化學(xué)法相結(jié)合的工藝，即先采用火法冶金工藝將 ZrSiO4 破壞，然后用濕化學(xué)法將鋯浸出，其中間產(chǎn)物一般為氯氧化鋯或氫氧化鋯，中間產(chǎn)物再經(jīng)煅燒可制得不同規(guī)格、用途的 ZrO2 產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)外采用的加工工藝主要有堿熔法、石灰燒結(jié)法、直接氯化法、等離子體法、電熔法

9、和氟硅酸鈉法等。用傳統(tǒng)工藝制備的 ZrO2 是 ZrO28H2O 化合物，是制備 ZrO2 超細(xì)粉和其他 ZrO2 制品的原料。隨著高性能陶瓷材料的發(fā)展和納米技術(shù)的興起，制備高純、超細(xì) ZrO2 粉體的技術(shù)意義重大，研究其制備應(yīng)用技術(shù)已成為當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)，現(xiàn)在較為通用的制備技術(shù)主要有： 3.1 共沉淀法化學(xué)共沉淀法6和以共沉淀為基礎(chǔ)的沉淀乳化法、微乳液沉淀反應(yīng)法的主要工藝路線(xiàn)是：以適當(dāng)?shù)膲A液如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、尿素等作沉淀劑(控制 pH89)，從ZrOCl28H2O 或 Zr(NO3)4、Y(NO3)3（作為穩(wěn)定劑）等鹽溶液中沉淀析出含水氧化鋯 Zr(OH)4 (氫氧化鋯凝膠)和 Y(

10、OH)3 (氫氧化釔凝膠)，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥、煅燒(600900)等工序制得釔穩(wěn)定的氧化鋯粉體。工藝流程圖如圖 3.1 所示：此法由于設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉，且易于獲得純度較高的納米級(jí)超細(xì)粉體，因而被廣泛采用。目前國(guó)內(nèi)大部分氧化鋯生產(chǎn)企業(yè)，如九江泛美亞、深圳南玻、上海友特、廣東宇田等，采用的都是這種方法。但是共沉淀法的主要缺點(diǎn)是沒(méi)有解決超細(xì)粉體的硬團(tuán)聚問(wèn)題，粉體的分散性差，燒結(jié)活性低。沉淀劑中和沉淀過(guò)濾洗滌干燥煅燒700-900 100-120鋯鹽溶液ZrO2 粉體圖 3.1 中和沉淀法工藝流程圖3.2 水解沉淀法水解沉淀法分為鋯鹽水解沉淀和鋯醇鹽水解沉淀7,8兩種方法。（1）鋯鹽水

11、解沉淀法是長(zhǎng)時(shí)間地沸騰鋯鹽溶液，使之水解生成的揮發(fā)性酸不斷蒸發(fā)除去，從而使如下水解反應(yīng)平衡不斷向右移動(dòng)： ZrOCl2+(3+n)H2O Zr(OH)4nH2O+2HCl ZrO(NO3)2+(3+n)H2O Zr(OH)4nH2O+2HNO3 然后經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥、煅燒等過(guò)程制得ZrO2粉體。工藝流程圖如圖3.2所示: 100沸騰48小時(shí) 100-120 700-900 鋯鹽溶液 水解沉淀 過(guò)濾 洗滌 干燥 煅燒 ZrO2 粉體圖 3.2 鋯鹽水解法工藝流程圖ZrOCl2濃度控制在0.20.3mol/l。此法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便,缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(48小時(shí)),耗能較大,所得粉體也存在團(tuán)聚現(xiàn)

12、象。（2）鋯醇鹽水解沉淀法是利用鋯醇鹽極易水解的特性,在適當(dāng) pH 值的水溶液中進(jìn)行水解得到Zr(OH)4： Zr(OR)4 + 4H2O Zr(OH)4+ 4HOR 然后經(jīng)過(guò)過(guò)濾、干燥、粉碎、煅燒得到ZrO2粉體。工藝流程圖如圖3.3所示： 調(diào)節(jié) PH 值 100-120 800-900鋯醇鹽溶液 水解沉淀 過(guò)濾 干燥 粉碎 煅燒 ZrO2 粉體圖3.3 鋯醇鹽水解法工藝流程圖 此法的優(yōu)點(diǎn)是：(1)幾乎全為一次粒子,團(tuán)聚很少；(2)粒子的大小和形狀均一；(3) 化學(xué)純度和相結(jié)構(gòu)的單一性好。缺點(diǎn)是原料制備工藝較為復(fù)雜,成本較高。 共沉淀法和水解沉淀法的后工序都是煅燒,其溫度越高,則粉體的晶粒度

13、越大,團(tuán)聚程度越高。這是由于煅燒升溫過(guò)程當(dāng)完成了從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的成核過(guò)程以后便開(kāi)始了晶粒長(zhǎng)大階段,并且晶粒中成晶結(jié)構(gòu)單元的擴(kuò)散速度隨溫度升高而增大,相互靠近的顆粒容易形成團(tuán)聚。 3.3 水熱法另一種較常見(jiàn)的方法是水熱法9：在高壓釜內(nèi)，鋯鹽（ZrOCl2）和釔鹽（Y(NO3)3）溶液加入適當(dāng)化學(xué)試劑，在高溫 (200)、高壓(10MPa)下反應(yīng)直接生成納米級(jí)氧化鋯顆粒，形成釔穩(wěn)定的氧化鋯固溶體。工藝流程圖如圖3.4所示: 70醇鹽溶液水熱處理 干燥 ZrO2 粉體圖3.4 水熱法工藝流程圖 反應(yīng)方程式為: ZrOCl2 + H2O ZrO2 + HCl 其反應(yīng)的機(jī)理是：溶液中反應(yīng)前驅(qū)物 Zr

14、(OH)4、Y(OH)3 在水熱條件下達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，從而析出溶解度更小、更穩(wěn)定的 ZrO2（Y2O3）相，二者溶解度之差便是反應(yīng)進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)力。優(yōu)點(diǎn)為粉料粒度極細(xì)，可達(dá)到納米級(jí)，粒度分布窄，省去了高溫煅燒工序，顆粒團(tuán)聚程度小。缺點(diǎn)為設(shè)備復(fù)雜昂貴，反應(yīng)條件較苛刻，難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。3.4 溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法10是被廣泛采用的制備超細(xì)粉體的方法。它是借助于膠體分散體系的制粉方法，形成幾十納米以下的 Zr(OH)4 膠體顆粒的穩(wěn)定溶膠，再經(jīng)適當(dāng)處理形成包含大量水分的凝膠，后經(jīng)干燥脫水、煅燒制得氧化鋯超細(xì)粉。此法的優(yōu)點(diǎn)：(1)粒度細(xì)微,亞微米級(jí)或更細(xì)；(2) 粒度分布窄；(3)純度高,化

15、學(xué)組成均勻,可達(dá)分子或原子尺度；(4)燒成溫度比傳統(tǒng)方法低400500。 缺點(diǎn)：(1)原料成本高且對(duì)環(huán)境有污染；(2)處理過(guò)程的時(shí)間較長(zhǎng)；(3)形成膠粒及凝膠過(guò)濾、洗滌過(guò)程不易控制。 3.5 微乳液法（反膠束法）利用反應(yīng)物的化學(xué)沉淀來(lái)制備納米粉體的方法，具體制備的步驟如下：按制粉要求比例配制一定濃度的鋯鹽與釔鹽水溶液，在恒溫?fù)u床中少量多次地將該溶液注入含表面活性劑的有機(jī)溶液中，直至有混濁現(xiàn)象出現(xiàn)。以同樣方法制備得氨水的反膠團(tuán)溶液，然后把兩種反膠團(tuán)溶液在常溫下混合、攪拌、沉淀、分離、洗滌、干燥，高溫焙燒 24，即得產(chǎn)品。利用該方法可制得1450)其表面硬度高達(dá) HRA 9095，遠(yuǎn)較傳統(tǒng) SUS

16、 420 的硬度高，因此耐磨性好，噪音比傳統(tǒng)軸心降低 23 分貝；(3)陶瓷軸心風(fēng)扇壽命可達(dá)到 300,000 hr/70，遠(yuǎn)超過(guò)雙滾珠系統(tǒng)(50,00065,000 hr/25) 或滾珠及滑動(dòng)并用系統(tǒng)(50,000 hr/25)，也優(yōu)于一般含油銅軸承(30,000 hr/25)。這種陶瓷軸心主要用于電腦機(jī)殼散熱器和中央處理器（CPU）的微型散熱風(fēng)扇上，由于具有發(fā)熱量低的特性，其耐用度大幅提升，目前已獲華碩、技嘉等電腦主板廠商的認(rèn)可。2003 年夏季，臺(tái)灣電腦公司富士康率先推出了采用這種陶瓷軸承（NCB）技術(shù)的系列電腦散熱風(fēng)扇（圖 ）。圖 5.3 富士康采用 NCB 技術(shù)的電腦散熱風(fēng)扇5.1.

17、3 其他應(yīng)用在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域，TZP 陶瓷材料作為室溫耐磨零器件，還廣泛應(yīng)用于：光纖插針、光纖套筒、拉絲模和切割工具、耐磨刀具、表殼及表帶、高爾夫球的輕型擊球棒等。5.2 ZrO2 功能陶瓷Y2O3 的 ZrO2 陶瓷具有敏感的電性能參數(shù)，是近幾年來(lái)發(fā)展和開(kāi)發(fā)應(yīng)用的新材料，主要應(yīng)用于各種傳感器、第三代燃料電池和高溫發(fā)熱體等領(lǐng)域。而且 ZrO2 材料高溫下具有導(dǎo)電性及晶體結(jié)構(gòu)存在氧離子缺位的特性，可制成各種功能元件。目前主要有下列幾個(gè)方面的應(yīng)用： 5.2.1 氧傳感器傳感器主要用于工業(yè)生產(chǎn)、監(jiān)控、品質(zhì)檢驗(yàn)，用來(lái)提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高產(chǎn)品的性能，目前氧化鋯氧傳感器（圖 5.4）已大量應(yīng)用于鋼鐵制

18、造過(guò)程中，用來(lái)測(cè)量溶融鋼水及加熱爐所排放氣體的含氧量，從而了解鋼鐵制造過(guò)程中鋼鐵的品質(zhì)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。圖 5.4 氧化鋯氧傳感器氧化鋯氧傳感器工作原理23：由于Zr4+與添加的金屬元素離子半徑、原子價(jià)數(shù)的差異，在晶格上產(chǎn)生氧離子的“空位”（晶格缺陷），因此生成氧離子導(dǎo)體，具有導(dǎo)電性能，溫度越高，電導(dǎo)率越大。Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷電導(dǎo)率比較高。固體電解質(zhì)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的工作原理見(jiàn)下面公式所示，如果其兩側(cè)的氧濃度存在位差，則氧就從高濃度側(cè)以氧離子形式穿過(guò)固體電解質(zhì)導(dǎo)向低濃度側(cè)，根據(jù) Nernst 方程式： E=RT4F ln PPOO( 參考電極測(cè)量電極) 其中R為氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，通常P

19、O(參考電極)已知，只要量測(cè)溫度T及電動(dòng)勢(shì)E便可以計(jì)算出PO(測(cè)量電極)，間接得知鋼水中氧的含量(ppm)。氧化鋯氧傳感器主要構(gòu)成組件有：1) 固態(tài)電解質(zhì)：為 Y2O3 或 MgO/ ZrO2 的陶瓷管；2) 電極物質(zhì)：一般使用 Pt 或 Mo 3) 氧氣標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：即參考電極，為 Cr/Cr2O3 的填充物，其粉末粒度、混合比都會(huì)影響所量測(cè)電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定性。一般氧化鋯氧傳感器的結(jié)構(gòu)型式有下面幾種：1) 栓塞型(plug type) 此類(lèi)型由于兩端皆開(kāi)口，固體電解質(zhì)必須安置在石英管(SiO2)前端，如果接觸不緊密，則常常在測(cè)試時(shí)脫離，造成量測(cè)電壓的誤差，目前不太常使用。2) 針型(needle t

20、ype) 此類(lèi)型為一端開(kāi)口、一端閉口，使用 MoO2 線(xiàn)或 Cr2O3 線(xiàn)。3) 管型(tube type) 這是一般市面上常見(jiàn)的型號(hào)。其固體電解質(zhì)為一端開(kāi)口，一端閉口，Mo 電極與固體電解質(zhì)中，加 Cr/ Cr2O3 的填充物，另在 U 型石英管中放 Pt-Pt13 RW 的熱電偶，形成 Nernst 電池，用以量測(cè)電動(dòng)勢(shì)。5.2.2 固體氧化物燃料電池(SOFC)ZrO2在功能陶瓷領(lǐng)域另外一個(gè)重要用途是利用ZrO2所示，它由用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成?？諝庵械难踉诳諝鈽O/電解質(zhì)界面被氧化，在空氣與燃料之間氧的分壓差作用下，氧

21、離子在電解質(zhì)中向燃料極一側(cè)移動(dòng)，在燃料極電解質(zhì)界面和燃料中的氫或一氧化碳反應(yīng)，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過(guò)外部回路，再次返回空氣極，此時(shí)產(chǎn)生電能24。 SOFC主要有兩種結(jié)構(gòu):板式和管式。板式構(gòu)造簡(jiǎn)單,平板電解質(zhì)和電極制備工藝簡(jiǎn)單,容易控制，性能高,但是需要解決高溫?zé)o機(jī)密封的技術(shù)難題以及由此帶來(lái)的熱循環(huán)性能差的問(wèn)題，另外,對(duì)雙極連接板的材料也有很高的要求。管式的設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化密封問(wèn)題,但缺點(diǎn)是電流的路徑較長(zhǎng),限制了電池的性能,而且管式電池單元制備工藝相當(dāng)復(fù)雜。目前,僅美國(guó)西屋公司和幾家日本公司掌握管式電池制備技術(shù)。除了普通的板式和管式電池結(jié)構(gòu)之外,很多公司和研究單位也提出了其它多種結(jié)

22、構(gòu),以?xún)?yōu)化傳熱和反應(yīng)表面的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程25。 SOFC的特點(diǎn)如下： 1) 由于是高溫作用（600-1000），通過(guò)設(shè)置底面循環(huán)，可以獲得超過(guò)60 %效率的高效發(fā)電。 2) 由于氧離子是在電解質(zhì)中移動(dòng)，所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。 3) 由于電池本體的構(gòu)成材料全部是固體，所以沒(méi)有電解質(zhì)的蒸發(fā)、流淌。另外，燃料極空氣極也沒(méi)有腐蝕。 4) 與其他燃料電池比，發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以期望從容量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備，5.2.3 高溫發(fā)熱體ZrO2 室溫電阻極高，比電阻高達(dá) 1015cm，但當(dāng)溫度升至 600時(shí)，即可導(dǎo)電，1000 時(shí)電導(dǎo)率為2510-2，具有導(dǎo)體的性能。目前已將它成功地用于

23、 2000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。5.2.5 壓電材料以 ZrO2 作為主要成分，可制成 PZT（鋯鈦酸鉛），PLZT（鋯紺鈦酸鉛）等壓電材料，在超聲、水聲及各種蜂鳴器等壓電元件制備中，起到重要的作用。5.3 保健紡織材料紅外線(xiàn)(波長(zhǎng)從 0.751000 微米)是太陽(yáng)光線(xiàn)中的一種輻射線(xiàn)，屬于不可見(jiàn)光，紅外線(xiàn)又依波長(zhǎng)大小可分成近、中、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)三種，在醫(yī)學(xué)上指出以氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)及三氧化釔(Y2O3)等礦物所制成的陶瓷粉末，所吸收及激發(fā)出來(lái)的遠(yuǎn)紅外線(xiàn)能量強(qiáng)。而波長(zhǎng)在 414 微米的遠(yuǎn)紅外線(xiàn)又稱(chēng)為生育光

24、線(xiàn)，當(dāng)人體需要散熱冷卻時(shí)，流汗的生理現(xiàn)象產(chǎn)生，體表汗珠透過(guò)吸濕排汗的衣服，將熱能釋出，同時(shí)具有遠(yuǎn)紅外線(xiàn)的纖維可以加速吸濕層的干燥，并保持人體皮膚干爽，因此可被應(yīng)用在康復(fù)醫(yī)療及預(yù)防保健上。日本公司先將上述氧化物與聚脂粒(polyester)混合制作成機(jī)能性高濃度母粒(master batch)，然后經(jīng)抽紗拉出遠(yuǎn)紅外線(xiàn)細(xì)絲纖維，便具有遠(yuǎn)紅外線(xiàn)的效果。目前將陶瓷微粉與紡織品結(jié)合成為遠(yuǎn)紅外織物的技術(shù)工藝路線(xiàn)有兩種。其一是在后整理過(guò)程中進(jìn)行，用遠(yuǎn)紅外陶瓷微粉、粘合劑和助劑按一定的比例配制成后處理劑，然后對(duì)織物進(jìn)行涂層和浸漬，使后處理劑均勻地涂布在纖維或織物上，經(jīng)干燥、熱處理，使遠(yuǎn)紅外陶瓷微粉附著于織物的

25、紗線(xiàn)之間以及紗線(xiàn)的纖維之間；其二是采用共混紡絲法，把遠(yuǎn)紅外陶瓷微粉均勻地添加到紡絲原液中，紡出含有遠(yuǎn)紅外陶瓷微粉的高聚物纖維。所用纖維基材有聚酯類(lèi)、聚酰胺類(lèi)、聚丙烯醇類(lèi)、聚丙烯腈和粘膠纖維等。目前，臺(tái)灣也已有多家公司開(kāi)發(fā)出 PET 與尼龍母粒，并制作成遠(yuǎn)紅外線(xiàn)保溫棉。5.4 多晶氧化鋯寶石ZrO2 具有較高的折射率（N2122），如將它制成多彩的半透明多晶 ZrO2 材料，即可以像天然寶石一樣閃爍著絢麗多彩的光芒，用它制成各種裝飾用的寶石，它的硬度達(dá) ，光澤完全可以達(dá)到以假亂真的效果。永不磨損的手表表殼、表鏈及人造寶石戒指，大多是采用多晶 ZrO2 寶石制成的。它主要利用超細(xì)的 ZrO2 粉末

26、添加一定的著色元素，如 V2O5、MoO3、Fe2O3 等，經(jīng)高溫處理即可獲得粗坯氧化鋯陶瓷體，再經(jīng)研磨、拋光即可制 催化劑載體ZrO2 的化學(xué)穩(wěn)定性好，其表面同時(shí)具有酸性和堿性,同時(shí)擁有氧化性和還原性；它又是 P 型半導(dǎo)體，易于產(chǎn)生氧空穴，所以它作為催化劑載體可與活性組分產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用。因此，近年來(lái) ZrO2 引起了催化領(lǐng)域?qū)W者的廣泛興趣，在自動(dòng)化、催化氫化、FT 反應(yīng)催化、聚合和氧化反應(yīng)的催化及超強(qiáng)酸催化劑方面，ZrO2 均受到了特別的關(guān)注。現(xiàn)在，ZrO2 在催化劑中的應(yīng)用研究已廣泛展開(kāi)，除對(duì)固體超強(qiáng)酸催化劑、合成甲醇催化劑的研究外，還開(kāi)展了 CO 加氫的 RuFeZrO2、LaFeZ

27、rO2 催化劑及加氫制低碳烯烴的 Fe2O3ZrO2 催化劑的研究。在甲醇合成催化劑的研究方面，采用超臨界干燥法制備 ZrO2 載體制甲醇催化劑的研究，取得了較好的效果。估計(jì)在不長(zhǎng)的時(shí)間里 ZrO2 將在催化劑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用26。5.6 ZrO2 涂層熱障涂層是為在高溫臨界狀態(tài)下工作的氣冷金屬部件提供隔熱作用。納米級(jí)氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）用于熱障涂層顯示出突出的性能。YSZ 具有很高的熱反射率,化學(xué)穩(wěn)定性好，與基材的結(jié)合力和抗熱震性能均優(yōu)于其他材料，因此，YSZ 是目前理想的熱障涂層材料。其具體應(yīng)用有航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱涂層，潛艇、輪船柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的襯里等27。5.7 ZrO2 耐火

28、材料 ZrO2 作為耐火材料主要用在大型玻璃池窯的關(guān)鍵部位，早期用的耐火材料 ZrO2 含量約3335，經(jīng)電熔后成電熔 ASZ。日本旭硝子公司制成含 ZrO294 95的鋯質(zhì)耐火材料，在 2450下電熔系國(guó)際首創(chuàng)，它可以用于玻璃窯頂部和其他關(guān)鍵部位。盡管成本大幅度上升，但由于池窯壽命增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益也還是明顯的。ZrO2 經(jīng)熔化、噴吹后可以制成大小不同的 ZrO2 空心球，用它制成各種高級(jí)隔熱磚，可代替纖維氈材料，以避免人們耽心的“陶纖”老化后的粉化的“污染”問(wèn)題。山東第二耐火材料廠和洛陽(yáng)耐火材料研究院均生產(chǎn) ZrO2 空心球。ZrO2 在其他高溫耐火領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，但因?yàn)槌杀镜木壒剩^多

29、地應(yīng)用在高附加價(jià)質(zhì)的耐火產(chǎn)品，像鋼水流嘴、噴嘴、閥門(mén)、高溫纖維等。5 展望高性能結(jié)構(gòu)陶瓷的開(kāi)發(fā)研究已引起世界工業(yè)先進(jìn)國(guó)家的高度重視，并成為十分活躍的研究、投資、生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是日本、美國(guó)等國(guó)家都投入可觀的經(jīng)費(fèi)。我國(guó)歷年對(duì)發(fā)展新型陶瓷材料也給予了重視，并取得了許多重大成果，為我國(guó)高科技領(lǐng)域作出了巨大貢獻(xiàn)。近幾年有一些公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)高質(zhì)量氧化鋯超細(xì)粉體,且大部分產(chǎn)品出口，但應(yīng)該看到的是我國(guó)在原料粉體的生產(chǎn)方面整體還處于較落后的局面隨著我國(guó)加入 WTO，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)抓住有利時(shí)機(jī)，逐步改變現(xiàn)有以提供初級(jí)原料為主要目標(biāo)的狀況，使產(chǎn)品向高純度、超微細(xì)方向發(fā)展，并不失時(shí)機(jī)地開(kāi)發(fā)、發(fā)展先進(jìn)陶瓷產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)

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