氧化锆陶瓷综述.pdf

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1、氧化锆陶瓷材料浅述学校：南方科技大学专业：材料科学与工程姓名：李海桥学号：11310024摘要：ZrO2具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质，上个世纪二十年代开始就被用来作为熔化玻璃、冶炼钢铁等的耐火材料。并且由于TZP陶瓷具有高韧性、抗弯强度和耐磨性，以及优异的隔热性能，甚至其热膨胀系数接近于金属等优点，因此TZP陶瓷被广泛应用于结构陶瓷领域。本文简要介绍了一下氧化锆陶瓷的发展历史，二氧化锆的性质。着重介绍了二氧化锆陶瓷材料的制备工艺，包括粉体制备，成型工艺，脱脂排胶

2、，烧结工艺，以及增韧机制。并对氧化锆陶瓷的性能和应用进行了详细介绍。关键词：二氧化锆，制备工艺，应用1.氧化锆陶瓷发展历程自从1975年澳大利亚学者K.C.Ganvil首次提出利用Zr2O相变同时产生的体积效应来达到增韧陶瓷的新概念以来，对ZrO2陶瓷用作结构材料的研究就十分活跃，从相变结晶学、热力学、增韧机理及材料制备系统与工艺等方面入手，企图使ZrO2陶瓷材料或用ZrO2增韧后的陶瓷发挥更大的效用。目前研究报导较多的材料系统并具有一定效果的有:部分稳定氧化锆(PSZ);多晶四方ZrO2(TZP);氧化

3、锆增韧氧化铝(ZTA);氧化锆增韧莫来石(ZTM);增韧Si3N4、SiC及超塑性氧化锆等几方面，其他增韧ALN、堇青石、尖晶石等亦有报导。由于ZrO2相变增韧使Al2O3、莫来石、Si3N4、SiC的断裂性能亦有不同程度的提高，Si3N4的材料Kic从4.8一5.8提高至7左右，Al2O3的材料KiC由4.5提高到9.8。为这些材料的进一步应用提供了力学性能上的保证。早在1789年Klaproth就从宝石中提炼出了氧化锆，但直到本世纪40年代才作为燃气灯罩应用于工业中。此后，相继在耐火材料、着色及磨料中

4、得到应用。近十年来，研制出了具有良好韧性及多功能性的新产品，因而陶瓷的应用数量增加，所涉及到的领域也在不断扩大。2.二氧化锆的性质常压下纯的氧化锆有三种晶型，低温为单斜晶系，密度5.65g/cm3，高温为四方晶系，密度6.10g/cm3，更高温度下为立方晶系，密度6.27g/cm3，其相互间的转化关系如下（图一）：图一.二氧化锆晶型相互间的转化关系天然ZrO2和用化学法得到的ZrO2属于单斜晶系。单斜晶型与四方晶型之间的转变伴随有7%左右的体积变化。加热时由单斜ZrO2转变为四方ZrO2，体积收缩，冷却时

5、由四方ZrO2转变为单斜ZrO2，体积膨胀。但这种收缩与膨胀并不发生在同一温度，前者约在1200℃，后者约在1000℃。由于晶型的转变产生体积变化，会造成开裂，故单纯的氧化锆陶瓷很难生产，通过实践发现加入适量的晶型稳定剂CaO、MgO、Y2O3、CeO2等和其他稀土氧化物，可以使ZrO2相变温度降低至室温以下，使高温稳定的四方和立方氧化锆在室温也能以稳定或亚稳定形式存在，形成无异常膨胀、收缩的立方、四方晶型的稳定氧化锆（FSZ）和部分稳定氧化锆（PSZ）。氧化锆陶瓷与普通陶瓷性能参数对比见表一：表一：氧化

6、锆陶瓷与普通陶瓷性能参数对比3.氧化锆陶瓷制备工艺3.1粉体制备：目前，氧化锆粉体的制备包括微粉制备和超细粉制备：3.1.1微粉制备：颗粒尺寸一般在1-88um之间。工业上生产微粉常用机械研磨法（一般使用流化床气流磨），再经过磁选、清洗、干燥、筛分、包装，在细磨阶段一定要防止原材料被污染。3.1.2超细粉制备：粉末的粒径一般为10—100nm之间，由于具有一系列优异的性质(如表面效应、小尺寸效应、量子效应、隧道效应等)，目前已经成为高科技的前沿和重点。超细粉末的制备方法很多，包括物理方法和湿化学方法，如化

7、学共沉淀法、水热法、气相沉积法和气相热分解法等。①共沉淀法这是一种古老的方法。它是利用各种在水中溶解的物质，经反应生成不溶解的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐等，再经加热分解而成高纯度超微粉。ZrOCl2的水溶液中加入铵盐分散剂(NH4)2SO4,用氨水沉淀、分离、水洗、烘干、球磨、煅烧后制的ZrO2超细粉。一般ZrOCl2·8H2O浓度可控制在0.25-0.4mol/L;浓度大时,产量大,但固液分离困难。沉淀容易包裹并吸附杂质。沉淀PH值在8—9之间为宜,温度可控制在60—80℃之间，太低时，胶体沉淀体

8、积大，杂质吸附严重，造成过滤、洗涤困难；偏高时，将使沉淀和溶解这一动态平衡加速，可能使凝胶晶化。②乳浊液法这是一种比较新颖的粉体制备方法，即乳浊液法，用这种方法可以制得粉末性能非常好的纳米超细粉体。将纯度>99%的ZrO(NO3)2·nH20和(NO3)3·6H20晶体溶于蒸馏水中，配成一定浓度的溶液，按Y2O3含量为3%（摩尔分数）分别量取两种溶液并配成混合溶液。将混合液逐渐加入含3%（摩尔分数）乳化剂的二甲苯溶液中，不断搅