中國粉體網(wǎng)訊 

1 氧化鋯材料的應(yīng)用

過去，氧化鋯陶瓷主要作為耐火材料，而隨著電子和新材料工業(yè)的發(fā)展，氧化鋯陶瓷在電子陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，日本不論是在制造氧化鋯原料粉體，還是制造電子陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷方面都處于世界領(lǐng)先地位。

由于氧化鋯具有高強(qiáng)度、高韌性以及耐腐蝕的特性，抗壓強(qiáng)度在常溫下可以達(dá)到2100MPa，可以用來制造空間飛行器的噴氣發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、無潤滑滾珠軸承以及汽輪機(jī)；氧化鋯具有無磁性、不導(dǎo)電、以及耐磨的優(yōu)良性能，可以用于制造醫(yī)學(xué)器械和刀具工具；氧化鋯硬度高，具有優(yōu)良的耐磨性，廣泛用于制作冷成型工具、切削工具、研磨和磨削構(gòu)件等。

在電子陶瓷中，氧化鋯主要應(yīng)用于制造電壓元件、濾波器、超聲波振蕩器等。作為功能陶瓷，氧化鋯主用應(yīng)用于制造氣體傳感器、溫度傳感器以及聲音傳感器等。此外，在熱障涂層、耐火材料、紡織等領(lǐng)域里，氧化鋯也正得到廣泛應(yīng)用。隨著新材料和電子工業(yè)的迅速發(fā)展，氧化鋯會更多地應(yīng)用在結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷和電子陶瓷等方面，需求量將會越來越大。

（圖片來源：上海矽諾國際貿(mào)易有限公司）

2 氧化鋯粉體的制備

眾所周知，要制備好的氧化鋯陶瓷，第一步便是制備性能優(yōu)良的粉體。好的粉體要求粒度細(xì)而且分布范圍窄。因為超細(xì)粉具有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，所以更容易在燒結(jié)后期具有高密度或完全致密。當(dāng)前，制備氧化鋯粉體的方法可以分為氣相合成法、固相合成法和液相合成法。

（1）化學(xué)共沉淀法主要工藝流程是首先把適當(dāng)?shù)膲A液作沉淀劑，從ZrOCl₂•8H₂O或Zr(NO₃)₄，Y(NO₃)₃等鹽溶液中沉淀出含水的氧化鋯和氧化釔，然后通過過濾、洗滌、干燥以及煅燒等工序制備得到釔穩(wěn)定氧化鋯粉。此種方法由于設(shè)備和工藝簡單，而且得到的粉體性能較優(yōu)，所以應(yīng)用廣泛。但此法得到的粉體硬團(tuán)聚嚴(yán)重，燒結(jié)活性較低。

（2）水熱法是在高壓釜里，以水溶液為反應(yīng)介質(zhì)，形成高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境，使難溶物質(zhì)溶解，合成需要的物質(zhì)，之后再通過分離以及熱處理得到納米微粒的合成方法。水熱法制備二氧化鋯最合適的前驅(qū)體是ZrOCl₂，它經(jīng)過水解沉淀可以生成ZrO(OH)₂，再同一定量的水一起加入到反應(yīng)釜中，在高溫高壓下反應(yīng)，即可制得晶粒，最終經(jīng)干燥就可以得到成品。這個方法的優(yōu)點制得的粉料粒度非常細(xì)，能夠達(dá)到納米級，而且粒度分布窄，顆粒團(tuán)聚程度小。但是這個方法依賴性比較強(qiáng)，所以使水熱法難以得到較為廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前對此種方法的研究在向低溫低壓發(fā)展。

（3）溶膠凝膠法是利用膠體分散體系制備超細(xì)粉體的方法。這種方法先是形成含有幾十納米以下的氫氧化鋯膠體顆粒的穩(wěn)定溶液，然后處理此溶液使其形成含有大量水分的凝膠，最后把它干燥脫水并煅燒，得到超細(xì)粉。用這種方法可以制得粒度細(xì)且分布窄，純度高的粉體。而且它的燒成溫度要比傳統(tǒng)的方法低。但是，這種方法的原料成本較高，生產(chǎn)周期較長，膠粒以及凝膠過濾和洗滌過程不好控制。

（4）反膠束法是先配制一定濃度的鋯鹽和釔鹽的水溶液，再用注入法將該溶液注入有機(jī)溶液中，直到出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象。再用同樣的方法制得氨水溶液，最后在常溫下把兩種反膠束溶液進(jìn)行混合、分離、洗滌并干燥，再進(jìn)行高溫煅燒，就可以得到產(chǎn)品。

3 氧化鋯粉體的改性處理

通過共沉淀法制備的氧化鋯粉體比較容易形成硬團(tuán)聚，使粉體流動性下降，最終影響陶瓷材料的成型和燒結(jié)性能。一般的，在超細(xì)干粉中常常有一定量的微粒團(tuán)，即團(tuán)聚體。超細(xì)干粉的粒度非常低，相應(yīng)的表面能就會比較高，這樣它就容易和其它顆粒結(jié)合，從而產(chǎn)生團(tuán)聚。團(tuán)聚還分軟團(tuán)聚和硬團(tuán)聚，硬團(tuán)聚較難拆開，所以會在較大程度上影響燒結(jié)體的顯微組織和性能。粉體的團(tuán)聚如果比較嚴(yán)重，會不利于燒結(jié)，使燒結(jié)溫度提高，最終可能導(dǎo)致燒結(jié)體的過燒。而較大的團(tuán)聚體會使燒結(jié)體密度降低。相比而言，含硬團(tuán)聚的燒結(jié)體的相對密度更低，所以硬團(tuán)聚對粉體燒結(jié)性能的危害更大。

性能優(yōu)良的燒結(jié)粉料應(yīng)該是超細(xì)、等軸、沒有團(tuán)聚并且尺寸分布很窄的。要達(dá)到這一目標(biāo)是非常困難的，為了解團(tuán)聚可以采用控制團(tuán)聚體形成和在團(tuán)聚體形成后解聚兩種方法。一種是采用水熱法、溶膠凝膠法以及噴霧熱解法等粉體合成工藝可以控制團(tuán)聚體的形成。另外，可以在沉淀體系中加分散劑或者冷凍干燥前驅(qū)體來改善團(tuán)聚。或者也可以在團(tuán)聚體形成后對粉體進(jìn)行處理，比如采用機(jī)械研磨法解聚。

A 粉體磨細(xì)

本文介紹的這種工藝是采用臥式砂磨機(jī)將國產(chǎn)氧化鋯粉體進(jìn)行磨細(xì)（其中選用0.5mm的氧化鋯球作為研磨介質(zhì)，可顯著提高物料的粉碎效率），首先選擇在粉體中加入一定量的聚丙烯酸銨做分散劑，配置成固相含量為10%的漿料，然后加入臥式砂磨機(jī)研磨10h。磨細(xì)后的粉體使用噴霧干燥，能夠防止粉體在長時間的干燥過程中再次形成團(tuán)聚。

砂磨機(jī)（圖片來源：無錫泰賢粉體科技有限公司）

磨細(xì)噴干后的粉體形貌

B 噴霧造粒

造粒是通過在較細(xì)的粉體中加入一定量的塑化劑，制成粒度較大、具有一定假顆粒度級配并且流動性好的球體。這個球體叫做團(tuán)粒，它的質(zhì)量能夠十分顯著地影響后續(xù)的成型和燒結(jié)。比較常用的造粒方法有以下幾種：

（1）一般造粒法

此種方法是直接在粉料中加入塑化劑，經(jīng)過混合、過篩得到團(tuán)粒。一般造粒法的優(yōu)點是便于操作，但是問題在于團(tuán)粒的質(zhì)量較差，球體大小不一，球形不好。

（2）加壓造粒法

在粉料中加入塑化劑后壓制成塊，然后進(jìn)行破碎、過篩而形成團(tuán)粒。這種方法的團(tuán)粒體積密度較大。

（3）噴霧造粒法

噴霧造粒法是把坯料和塑化劑混合后配置成固相含量一定的漿料，然后用噴霧器將漿料噴入造粒塔進(jìn)行霧化，就能夠得到流動性較好的球狀顆粒。這種方法的產(chǎn)量大，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

噴霧造粒中需要考慮的主要是配制合適的造粒漿料和選擇合適的造粒參數(shù)。在配制漿料時需要選擇合適的溶劑（例如水或酒精），確定粘結(jié)劑的種類和加入量，增塑劑的種類和加入量以及漿料的固相含量等。在造粒過程中，需要控制入料口的溫度，出料口的溫度以及進(jìn)料速度等。確定合適的各項參數(shù)對于噴霧造粒的成功起著至關(guān)重要的作用。

（4）凍結(jié)干燥法

此方法是把金屬鹽溶液噴霧到有機(jī)液體里面，便可馬上凍結(jié)。再把凍結(jié)物放在低溫低壓的環(huán)境下使其升華，脫水后熱分解，最終得到所需粉料。通過此方法得到的顆粒組成均勻，具有良好的成型和燒結(jié)性能。但此法不適宜工業(yè)中的批量生產(chǎn)，多用于實驗室造粒。

小結(jié)

PVP+PEG噴霧造粒粉顯微形貌

研究者以不同組的造粒粉為原料，對其進(jìn)行成型和燒結(jié)。最后測量燒結(jié)體的致密度、抗彎強(qiáng)度、相組成，并用掃描電子顯微鏡觀察其斷面形貌，比較噴霧造粒中不同組塑化劑的優(yōu)劣。最終發(fā)現(xiàn)加入PVP（聚乙烯吡咯烷酮）和PEG（聚乙二醇）分別做粘結(jié)劑和增塑劑的造粒粉體具有最優(yōu)的性能，在1450℃無壓燒結(jié)后致密度達(dá)到了99.67%，接近進(jìn)口造粒粉的致密度。另外其抗彎強(qiáng)度也比造粒前的粉體抗彎強(qiáng)度略有提高，達(dá)到了降低成本的同時，提高造粒粉的性能指標(biāo)的目標(biāo)。以上生產(chǎn)工藝過程中，所使用的臥式砂磨機(jī)、噴霧造粒機(jī)、干法成型和無壓燒結(jié)等也都是大規(guī)模生產(chǎn)中常用的方法，對于實際生產(chǎn)有良好的借鑒意義。

參考來源：

玥梁，氧化鋯粉體的表面改性處理，清華大學(xué)

梁玥，齊龍浩，苗赫濯，潘偉，國產(chǎn)氧化鋯粉體的表面改性處理，新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！