中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氧化鋯陶瓷除了是一種性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷之外，還是一種特殊的功能陶瓷材料，比如，氧化鋯具有獨(dú)特的電化學(xué)性能，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是氧化鋯具有低溫絕緣、高溫導(dǎo)電的特性，這一特性讓氧化鋯在傳感器、固態(tài)電池、無(wú)機(jī)發(fā)熱體等方面有重要應(yīng)用。

ZrO₂電學(xué)性質(zhì)

無(wú)論是純ZrO₂還是摻雜ZrO₂，它們?cè)谑覝叵戮�是絕緣體，電阻率大于1010Ω•cm，但其高溫導(dǎo)電性良好，具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，1000℃時(shí)電阻率為104Ω•cm，1700℃時(shí)只有6～7Ω•cm。

圖片來(lái)源：方泰新材料

根據(jù)第一原理的計(jì)算，在ZrO₂的電子結(jié)構(gòu)中，價(jià)帶與導(dǎo)帶的電子軌道能級(jí)狀態(tài)是隨晶體結(jié)構(gòu)不同而有電子軌道數(shù)的不同。ZrO₂的價(jià)帶為滿帶，而導(dǎo)帶也填充有一定的電子，而造成ZrO₂的室溫絕緣性能主要是由于價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的帶寬過(guò)大所致，在室溫下不可能有導(dǎo)電性能。在摻雜以后，可以在禁帶中形成新的能級(jí)(施主能級(jí)或受主能級(jí))，使得禁帶寬度減小，但在室溫下仍然沒(méi)有導(dǎo)電能力，主要是由于ZrO₂在室溫下的電子遷移率太低所致。因此，無(wú)論是高純ZrO₂還是摻雜ZrO₂，在室溫下均表現(xiàn)出高的絕緣性能。

導(dǎo)電性會(huì)被無(wú)限提高嗎

不會(huì)！

德國(guó)學(xué)者GuoX在一篇綜述中指出，ZrO₂的導(dǎo)電性質(zhì)與電子導(dǎo)電的性質(zhì)不同，以離子導(dǎo)電的ZrO₂材料在一個(gè)合適的空位濃度條件下，才能達(dá)到最大的離子電導(dǎo)率，而高于最佳空位濃度的基礎(chǔ)上再增加空位就將導(dǎo)致離子電導(dǎo)率的降低。因此，ZrO₂在高溫下的電導(dǎo)率不可能無(wú)限制的提高。如納米結(jié)構(gòu)ZrO₂的離子電導(dǎo)下降主要是因?yàn)閮?nèi)部界面的影響太大，導(dǎo)致離子遷移降低而引起。由于在穩(wěn)定化的ZrO₂中的空間電荷層為2.5nm左右，則只有當(dāng)納米顆粒的尺寸小于5nm時(shí)才會(huì)出現(xiàn)直接的量子尺寸效應(yīng)引起的電子遷移，很顯然這種情況很難大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。

特殊應(yīng)用

1、發(fā)熱體

2、氧傳感器

主要應(yīng)用于高溫環(huán)境中(600～1100℃)的氧氣濃度的檢測(cè)，其原理即利用了ZrO₂在高溫下的電導(dǎo)率隨氧分壓有非常敏感變化的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于鋼水中氧含量的檢測(cè)。

3、燃料電池中的電極隔膜材料

燃料電池是新興的清潔能源和有可能替代石化能源的一種能量發(fā)生單元。其本質(zhì)是利用氫離子與氧離子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水的過(guò)程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生能量。在這一過(guò)程中，不能使氫氣與氧氣直接接觸燃燒，而要將氫和氧先轉(zhuǎn)變成離子，再發(fā)生離子間的化合。這其中兩大關(guān)鍵的因素就是如何將作為氫源的氫氣、甲烷等轉(zhuǎn)化成氫離子，這需要一定的催化劑。另一個(gè)關(guān)鍵因素就是如何將產(chǎn)生的氫離子(H⁺，即質(zhì)子)和氧離子充分利用起來(lái)而不使其在電離的同時(shí)發(fā)生重新化合，這就需要高效的離子導(dǎo)體和質(zhì)子導(dǎo)體將產(chǎn)生的H+和O^2－快速轉(zhuǎn)移至相互的對(duì)側(cè)進(jìn)行化合，產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。這種高效的離子和質(zhì)子導(dǎo)體即可利用摻雜ZrO₂陶瓷薄片。

參考來(lái)源：

[1]歐陽(yáng)靜等.氧化鋯(ZrO₂)的電、光性質(zhì)與應(yīng)用

[2]張穎異等.高溫電熱材料的研究發(fā)展

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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