氧化鋯陶瓷制備和應用領域介紹

　　氧化鋯陶瓷材料，具有耐高溫、耐化學腐蝕、抗氧化性、耐磨、熱膨脹系數大，小的比熱和導熱系數等特性及穩定化后的增韌特性，穩定氧化鋯已成為耐火材料行業與特種陶瓷領域不容忽視的重要材料。氧化鋯是一種十分重要的結構和功能材料，它具有非常優異的物理和化學性能，它的開發研究與應用，引起了世界各國的高度重視，而制備分散均勻的納米級ZrO2粉體自然成為了一個重要的研究課題，也是保證其特殊性能的關鍵。納米氧化鋯粉體的性能、制備工藝方法的創新與改進，及納米氧化鋯的工業生產應用。

　　一、氧化鋯陶瓷的制備方法

　　鋯產品的主要原料是鋯英砂，全球90％的氧氯化鋯(初級產品)的生產能力在中國。目前，國內鋯的加工能力12萬噸/年，實際產量在8萬噸/年，85％以上出口，目前全球鋯市場供不應求，目前鋯的價格大約每噸12000元，而且價格仍在不斷上漲。

　　金屬鋯的外表像鋼，常溫下表面被致密的氧化物層覆蓋，但仍有金屬光澤。粉狀鋯為暗灰色。金屬鋯的熔點為1852℃，密度6.49克／厘米3。其可塑性好，易于加工成板、絲等。鋯在加熱時能大量地吸收氧、氫、氮等氣體，可用作貯氫材料。鋯的耐蝕性比鈦好，接近鈮、鉭。鋯與鉿是化學性質歷史學相似、又共生在一起的兩個金屬，且含有放射性物質。地殼中鋯的含量居第20位，幾乎與鉻相等。目前，自然界中具有工業價值的含鋯礦物，主要有鋯英石及斜鋯石。

　　可由鋯英石與純堿共熔，用水浸出鋯酸鈉，與鹽酸作用生成二氯氧化鋯，再煅燒而制得。鋯在地殼中的含量為0.025%，超過了工業上普遍使用的銅、鋅、鉛等，自然界中存在的鋯主要以鋯英石、斜鋯石、水鋯石、曲晶石、鈉長石等礦物形式存在，其主要成份是ZrSiO4，是由ZrO2和SiO2彼此以牢固化學鍵結合而成的非常穩定的化合物。高純度納米級氧化鋯粉體制法，則有共沉淀－水熱法、反向沉淀法以及沉淀－乳化法等工藝方法。

　　二、氧化鋯陶瓷的用途

　　氧化鋯具有優異的耐熱、耐腐蝕和可塑性，除大量應用于耐火材料外，還廣泛用于制造壓電元件、陶瓷電容器、氣敏元件、固體電解質電池、陶瓷內燃機引擎、光學玻璃和二氧化鋯纖維及鋯催化劑等，是2l世紀最有發展前途的功能材料之一。

　　1、高韌性氧化鋯基陶瓷

　　氧化鋯（ZrO2）是一種耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的無機非金屬材料。隨著電子和新材料工業的發展，除傳統應用于耐火材料和陶瓷顏料外，作為電子陶瓷、功能陶瓷、結構陶瓷和人造寶石的主要原料，在高技術領域的應用日益擴大。用化學法制備的氧化鋯超細粉，活性高，燒結性好，是制造高強度、高韌性氧化鋯基陶瓷的主要原料。高純二氧化鋯（化學分子式為ZrO2）陶瓷材料是國家產業政策中鼓勵發展的高性能新材料之一。

　　氧化鋯及其制品具有優越的物理化學性能，是現代高技術結構陶瓷、導電陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、鍍膜材料、現代冶金用高性能耐火材料、高性能高溫隔熱材料的主要材料之一，是支撐現代高溫電熱裝備、航空航天器構件、敏感元件、冶金耐火材料、玻璃熔窯用耐火材料等高技術新材料產業的支柱之一。而這些領域的材料科學的技術水平是一個國家整體技術實力和水平的象征之一。二氧化鋯按制作工藝的不同，分為化學法二氧化鋯和電熔法二氧化鋯兩種。化學法二氧化鋯是采用氯堿化工及高溫煅燒的工藝生產出來的；電熔法二氧化鋯則是采用電弧爐熔煉的物理方法來制造的。

　　2、精細陶瓷

　　納米ZrO2明顯提高陶瓷的室溫強度和應力強度因子，從而使陶瓷的韌性成倍提高。研究結果表明：復合生物陶瓷材料具有較好的力學性能、化學穩定性、生物相容性，是一種很有應用前景的復合型生物陶瓷材料。現在國外已制備出含有ZrO2的納米羥基磷灰石復合材料，其強度、韌性等綜合性能可達到甚至超過致密骨骼相應性能。在情報通信領域光纖連接器、電子產品、廚房用陶瓷等領域，都有不錯的應用前景。氧化鋯主要應用于結構陶瓷、生物陶瓷和功能陶瓷，超細氧化鋯粉廣泛應用于高技術陶瓷領域。

　　3、鋯在航天航空工業中的用途

　　氧化鋯是一種稀有金屬，具有驚人的抗腐蝕性能、極高的熔點、超高的硬度和強度等特性，被廣泛用在航空航天、軍工、核反應、原子能領域。“神六”上使用的抗腐蝕性、耐高溫的鈦產品，其抗腐蝕性能遠不如鋯，其熔點1600度左右，而鋯的熔點則在1800度以上，二氧化鋯的熔點更是高達2700度以上，所以鋯作為航空航天材料，其各方面的性能大大優越于鈦。金屬鋯是核電工業不可或缺的消耗性金屬材料，國家發改委規劃到2020年我國將再建28座核電站，新增核電3000萬千瓦，核電比例由目前的2％增加到4～5％。因此，鋯作為核工業材料具有廣闊的市場前景。

　　4、氧化鋯在軍事中的用途

　　從軍工上來看，在鋼里只要加進千分之一的鋯，硬度和強度就會驚人地捉高。含鋯的裝甲鋼、大炮鍛件鋼、不銹鋼和耐熱鋼等是制造裝甲車、坦克、大炮和防彈板等武器的重要材料。從原子能和核能上來看，鋯有突出的核能性，是發展原子能工業不可缺少的材料，我國的大型核電站普遍都用鋯材，如果用核動力發電，每一百萬千瓦的發電能力，一年就要消耗掉20到25噸金屬鋯。一艘三萬馬力的核潛艇用鋯和鋯合金作核燃料的包套和壓力管，鋯的使用量達20至30噸。可用于制陶瓷、搪瓷、耐火材料。