氧化鋯陶瓷制備和應(yīng)用領(lǐng)域介紹

　　氧化鋯陶瓷材料，具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、抗氧化性、耐磨、熱膨脹系數(shù)大，小的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)等特性及穩(wěn)定化后的增韌特性，穩(wěn)定氧化鋯已成為耐火材料行業(yè)與特種陶瓷領(lǐng)域不容忽視的重要材料。氧化鋯是一種十分重要的結(jié)構(gòu)和功能材料，它具有非常優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，它的開(kāi)發(fā)研究與應(yīng)用，引起了世界各國(guó)的高度重視，而制備分散均勻的納米級(jí)ZrO2粉體自然成為了一個(gè)重要的研究課題，也是保證其特殊性能的關(guān)鍵。納米氧化鋯粉體的性能、制備工藝方法的創(chuàng)新與改進(jìn)，及納米氧化鋯的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

　　一、氧化鋯陶瓷的制備方法

　　鋯產(chǎn)品的主要原料是鋯英砂，全球90％的氧氯化鋯(初級(jí)產(chǎn)品)的生產(chǎn)能力在中國(guó)。目前，國(guó)內(nèi)鋯的加工能力12萬(wàn)噸/年，實(shí)際產(chǎn)量在8萬(wàn)噸/年，85％以上出口，目前全球鋯市場(chǎng)供不應(yīng)求，目前鋯的價(jià)格大約每噸12000元，而且價(jià)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(diǎn)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(shí)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(xué)性質(zhì)歷史學(xué)相似、又共生在一起的兩個(gè)金屬，且含有放射性物質(zhì)。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(yè)價(jià)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(guò)了工業(yè)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(zhǎng)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(xué)鍵結(jié)合而成的非常穩(wěn)定的化合物。高純度納米級(jí)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(yōu)異的耐熱、耐腐蝕和可塑性，除大量應(yīng)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(zhì)電池、陶瓷內(nèi)燃機(jī)引擎、光學(xué)玻璃和二氧化鋯纖維及鋯催化劑等，是2l世紀(jì)最有發(fā)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(wú)機(jī)非金屬材料。隨著電子和新材料工業(yè)的發(fā)展，除傳統(tǒng)應(yīng)用于耐火材料和陶瓷顏料外，作為電子陶瓷、功能陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷和人造寶石的主要原料，在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴(kuò)大。用化學(xué)法制備的氧化鋯超細(xì)粉，活性高，燒結(jié)性好，是制造高強(qiáng)度、高韌性氧化鋯基陶瓷的主要原料。高純二氧化鋯（化學(xué)分子式為ZrO2）陶瓷材料是國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策中鼓勵(lì)發(fā)展的高性能新材料之一。

　　氧化鋯及其制品具有優(yōu)越的物理化學(xué)性能，是現(xiàn)代高技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、鍍膜材料、現(xiàn)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(xiàn)代高溫電熱裝備、航空航天器構(gòu)件、敏感元件、冶金耐火材料、玻璃熔窯用耐火材料等高技術(shù)新材料產(chǎn)業(yè)的支柱之一。而這些領(lǐng)域的材料科學(xué)的技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家整體技術(shù)實(shí)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(xué)法二氧化鋯和電熔法二氧化鋯兩種。化學(xué)法二氧化鋯是采用氯堿化工及高溫煅燒的工藝生產(chǎn)出來(lái)的；電熔法二氧化鋯則是采用電弧爐熔煉的物理方法來(lái)制造的。

　　2、精細(xì)陶瓷

　　納米ZrO2明顯提高陶瓷的室溫強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而使陶瓷的韌性成倍提高。研究結(jié)果表明：復(fù)合生物陶瓷材料具有較好的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性，是一種很有應(yīng)用前景的復(fù)合型生物陶瓷材料。現(xiàn)在國(guó)外已制備出含有ZrO2的納米羥基磷灰石復(fù)合材料，其強(qiáng)度、韌性等綜合性能可達(dá)到甚至超過(guò)致密骨骼相應(yīng)性能。在情報(bào)通信領(lǐng)域光纖連接器、電子產(chǎn)品、廚房用陶瓷等領(lǐng)域，都有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。氧化鋯主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷、生物陶瓷和功能陶瓷，超細(xì)氧化鋯粉廣泛應(yīng)用于高技術(shù)陶瓷領(lǐng)域。

　　3、鋯在航天航空工業(yè)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(diǎn)、超高的硬度和強(qiáng)度等特性，被廣泛用在航空航天、軍工、核反應(yīng)、原子能領(lǐng)域。“神六”上使用的抗腐蝕性、耐高溫的鈦產(chǎn)品，其抗腐蝕性能遠(yuǎn)不如鋯，其熔點(diǎn)1600度左右，而鋯的熔點(diǎn)則在1800度以上，二氧化鋯的熔點(diǎn)更是高達(dá)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(yōu)越于鈦。金屬鋯是核電工業(yè)不可或缺的消耗性金屬材料，國(guó)家發(fā)改委規(guī)劃到2020年我國(guó)將再建28座核電站，新增核電3000萬(wàn)千瓦，核電比例由目前的2％增加到4～5％。因此，鋯作為核工業(yè)材料具有廣闊的市場(chǎng)前景。

　　4、氧化鋯在軍事中的用途

　　從軍工上來(lái)看，在鋼里只要加進(jìn)千分之一的鋯，硬度和強(qiáng)度就會(huì)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(lái)看，鋯有突出的核能性，是發(fā)展原子能工業(yè)不可缺少的材料，我國(guó)的大型核電站普遍都用鋯材，如果用核動(dòng)力發(fā)電，每一百萬(wàn)千瓦的發(fā)電能力，一年就要消耗掉20到25噸金屬鋯。一艘三萬(wàn)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(dá)20至30噸。可用于制陶瓷、搪瓷、耐火材料。