中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氧化鋯是一種性能優(yōu)越且同時(shí)具有耐酸堿性的無(wú)機(jī)非金屬材料。它具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)小、硬度、強(qiáng)度高、耐磨損。氧化鋯性質(zhì)的優(yōu)越性，使氧化鋯及制品成為結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、熱涂層陶瓷的主要原料之一，在軍工、能源、冶金以及電子、通訊、汽車、機(jī)械等高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣泛。今天我們要講的，是氧化鋯作為添加劑在提高其它陶瓷材料的性能方面的應(yīng)用。

對(duì)氧化鋯陶瓷的影響

納米氧化鋯對(duì)普通的氧化鋯制品性能有一定的積極影響。

樊拓等在電熔單斜氧化鋯原料中添加不同含量的CaO穩(wěn)定劑，通過(guò)試樣燒后礦物相組成、顯氣孔率、耐壓強(qiáng)度確定最佳CaO穩(wěn)定劑添加量。在最佳CaO穩(wěn)定劑添加量的基礎(chǔ)上加入納米級(jí)氧化鋯粉體，研究納米級(jí)氧化鋯粉體添加量對(duì)氧化鋯制品性能的影響，結(jié)果表明：在最佳試樣（3Ca-PSZ）中加入納米氧化鋯粉體，隨著加入量的增加，試樣的顯氣孔率下降、燒成收縮率增加、耐壓強(qiáng)度提高。其中納米氧化鋯粉體添加比例為8wt%時(shí)，試樣氣孔率為9.4%，體積密度為5.08g/cm³，抗壓強(qiáng)度達(dá)到381MPa。與3Ca-PSZ試樣相比，氣孔率下降40%，體積密度提高5%，耐壓強(qiáng)度提高70%。

對(duì)氧化鎂陶瓷的影響

氧化鎂陶瓷熔點(diǎn)高達(dá)2800℃，具有良好的耐高溫性能和電絕緣性，且其對(duì)堿性金屬熔渣有較強(qiáng)的抗侵蝕能力，與鎂、鎳、鈾、釷、鋅、鋁、鐵、銅、鉑等不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可用于制備冶煉金屬的坩堝、澆注金屬的注模、高溫?zé)犭娕嫉谋Ｗo(hù)管、高溫爐的爐襯材料等。但是，在溫度劇變(即熱震作用)的環(huán)境下，氧化鎂陶瓷強(qiáng)度會(huì)大幅下降，發(fā)生剝落甚至脆裂，降低了氧化鎂陶瓷服役的安全可靠性。因此，提高氧化鎂陶瓷的抗熱震性，延長(zhǎng)其在高溫下的使用壽命具有重要的實(shí)際意義。

由于ZrO₂發(fā)生馬氏體相變(t-ZrO₂轉(zhuǎn)為m-ZrO₂)時(shí)伴隨體積和形狀的變化，能吸收能量，減緩裂紋尖端應(yīng)力的集中，阻止裂紋擴(kuò)展，提高陶瓷的韌性。不少研究表明，加入ZrO₂可以提高鎂質(zhì)材料的抗熱震性或燒結(jié)性能。

薛宗偉等以高純氧化鎂粉、納米單斜氧化鋯粉為原料，通過(guò)配料、成型，分別在1350℃、1450℃、1550℃保溫2h后燒結(jié)，制備了氧化鎂陶瓷試樣。研究了單斜氧化鋯加入量、燒結(jié)溫度對(duì)氧化鎂陶瓷的燒結(jié)性能和抗熱震性的影響。結(jié)果表明：加入納米單斜氧化鋯可以提高氧化鎂陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)均勻性，降低燒結(jié)溫度和促進(jìn)試樣的致密化；加入納米單斜氧化鋯的試樣通過(guò)微裂紋增韌、相變?cè)鲰g以及微裂紋偏轉(zhuǎn)增韌提高氧化鎂陶瓷的抗熱震性。

趙志鵬等研究了不同晶型ZrO₂納米粉對(duì)氧化鎂陶瓷燒結(jié)和抗熱震性的影響，結(jié)果表明：加入的ZrO₂彌散分布于方鎂石晶粒晶界處，提高了試樣的致密度；加入m-ZrO₂的試樣中，ZrO₂與MgO形成了固溶體，活化了方鎂石晶體的晶格，大幅度促進(jìn)了試樣的燒結(jié)，同時(shí)ZrO₂以相變?cè)鲰g和第二相增韌的復(fù)合增韌機(jī)制提高了抗熱震性；加入t-ZrO₂和c-ZrO₂的試樣中，ZrO₂以第二相增韌機(jī)制提高了抗熱震性。

對(duì)氧化鋁陶瓷的影響

Al₂O₃陶瓷以其高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨、抗氧化及抗熱震等優(yōu)異性能，在機(jī)械、電子、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。純Al₂O₃陶瓷的高溫性能好，但韌性不足，抗沖擊能力差，切削時(shí)易發(fā)生輕微崩刃，通過(guò)在Al₂O₃基體中添加氧化鋯，制得氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)陶瓷，可明顯改善這一現(xiàn)象。

在ZTA陶瓷中，Al₂O₃基體上均勻彌散分布著ZrO₂粒子，隨著溫度的變化，ZrO₂粒子發(fā)生相變，這種相變屬于馬氏體相變，會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生體積膨脹和切應(yīng)變，導(dǎo)致張應(yīng)力和微裂紋的形成。某些小尺寸的ZrO₂粒子在張應(yīng)力的作用下產(chǎn)生微裂紋，這些裂紋局限在小尺寸晶粒中，其萌生和擴(kuò)展等都會(huì)消耗外應(yīng)力場(chǎng)的能量，進(jìn)而提高Al₂O₃陶瓷的韌性和強(qiáng)度。因此ZTA陶瓷是非常具有前途的陶瓷材料。

對(duì)氮化硅陶瓷的影響

氮化硅陶瓷由于高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變等優(yōu)異的性能而被認(rèn)為是一種綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，但其固有脆性阻礙了其在市場(chǎng)上的廣泛應(yīng)用。不少學(xué)者對(duì)ZrO₂增韌Si₃N₄陶瓷進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。

李薦等通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)制備了ZrO₂-Si₃N₄復(fù)合陶瓷材料，并以排水法、SEM和DDL110型萬(wàn)能拉伸機(jī)進(jìn)行表征。研究了ZrO₂含量對(duì)Si₃N₄陶瓷的致密度、顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著ZrO₂含量的增加，Si₃N₄陶瓷致密度增加；抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性先增大后減小，當(dāng)ZrO₂含量達(dá)到10％時(shí)，Si₃N₄的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性同時(shí)達(dá)到最大值，分別為362MPa和7.0MPa·m^1/2。

對(duì)氮化鋁陶瓷的影響

AlN陶瓷具有高熱導(dǎo)率、優(yōu)良的電學(xué)性能、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，常作為電路封裝基板的理想材料。然而，與Si₃N₄和SiC等陶瓷材料相比，AlN陶瓷斷裂韌性較低，這降低了其抗熱震性能，并增加了其切削加工難度。

劉聰?shù)韧ㄟ^(guò)添加納米ZrO₂粉體，并結(jié)合Y₂O₃燒結(jié)助劑，采用熱壓燒結(jié)制備了AlN陶瓷。結(jié)果表明，加入ZrO₂后，熱壓AlN陶瓷的物相包含AlN主相、Al₅Y₃O₁₂晶界相以及ZrN新相。隨著ZrO₂的加入，熱壓AlN陶瓷的維氏硬度基本沒(méi)有變化，然而其斷裂韌性逐漸提高。這主要是由于添加的ZrO₂與AlN發(fā)生高溫反應(yīng)生成了ZrN，導(dǎo)致AlN陶瓷從單一的沿晶斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榘�含沿晶和穿晶的混合斷裂模式，�?qiáng)化了晶界，進(jìn)而改善了斷裂韌性。

對(duì)BaTiO₃陶瓷的影響

近些年來(lái)，人們對(duì)電子陶瓷的開(kāi)發(fā)和研究十分關(guān)注。其中鈦酸鋇陶瓷由于具有介電常數(shù)高、鐵電性能良好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種傳感器、片式電容器等方面。然而純鈦酸鋇的居里溫度是120℃，導(dǎo)致其不能在室溫下使用。為提高鈦酸鋇基陶瓷材料的介電性能，研究人員向其中摻雜各種氧化物，已經(jīng)獲得了部分摻雜氧化物與材料性能的關(guān)系，因此向鈦酸鋇基陶瓷材料中摻雜氧化物是當(dāng)前對(duì)鈦酸鋇陶瓷研究領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

鄭玉等以BaCO₃、TiO₂、ZrO₂為原料，采用固相燒結(jié)法制備不同Zr含量的鋯鈦酸鋇（BZT）陶瓷。實(shí)驗(yàn)表明，隨著Zr⁴⁺摻量的增加，晶面衍射峰向小角度方向移動(dòng)，BZT晶粒的生長(zhǎng)逐漸規(guī)則。介電峰位隨著Zr⁴⁺增加向低溫區(qū)域移動(dòng)。在室溫環(huán)境中Zr⁴⁺摻量為20%時(shí)，BZT陶瓷介電常數(shù)最大，介電損耗最小。

對(duì)氧化鋅壓敏陶瓷電性能的影響

ZnO壓敏陶瓷由于其優(yōu)異的非線性V-I特性和大能量吸收能力，廣泛應(yīng)用于電子線路、器件和電力系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)中。ZnO陶瓷遭受短時(shí)大脈沖時(shí)，可能由于熱應(yīng)力過(guò)大而炸裂，熱應(yīng)力誘發(fā)的炸裂是氧化鋅閥片主要的破壞方式之一。使用熱緩沖材料提高ZnO壓敏陶瓷的抗熱震性能，是一種提高能量耐受能力的有效方法。ZrO₂化學(xué)性質(zhì)不活潑，熔點(diǎn)高(～2700℃)，電阻率高，膨脹系數(shù)低，是一種較為理想的熱緩沖材料。

對(duì)陶瓷結(jié)合劑的影響

陶瓷結(jié)合劑耐火度和流動(dòng)性對(duì)磨具有重要影響，適當(dāng)?shù)哪突鸲群土鲃?dòng)性有助于磨具的燒成，也利于結(jié)合劑與磨料充分融合和包裹；同時(shí)，陶瓷結(jié)合劑對(duì)磨料有很強(qiáng)的潤(rùn)濕能力，能大幅提高磨具的強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)磨具壽命。其中，ZrO₂對(duì)陶瓷結(jié)合劑和磨具的影響比較顯著。

李啟泉等以Na₂O-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂基礎(chǔ)玻璃加入ZrO₂來(lái)制備陶瓷結(jié)合劑，研究ZrO₂加入量對(duì)立方氮化硼磨具性能的影響。結(jié)果表明：隨著ZrO₂含量的增加，結(jié)合劑的耐火度提高，高溫流動(dòng)性變差，且ZrO₂能夠促進(jìn)玻璃相析晶；當(dāng)ZrO₂的含量為1%時(shí)，磨具試條的硬度達(dá)到HRB110.6，抗彎強(qiáng)度為68.23MPa，提高了27.9%，同時(shí)耐磨性急劇提高，磨耗比提高119%。

參考來(lái)源：

[1]薛宗偉等.納米氧化鋯對(duì)氧化鎂陶瓷抗熱震性的影響

[2]樊拓等.納米氧化鋯添加量對(duì)氧化鋯制品性能的影響

[3]李啟泉等.ZrO₂對(duì)陶瓷結(jié)合劑CBN磨具性能的影響

[4]趙志鵬等.不同晶型ZrO₂納米粉對(duì)氧化鎂陶瓷燒結(jié)和抗熱震性的影響

[5]劉聰?shù)?ZrO₂對(duì)熱壓AlN陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響

[6]鄭玉等.ZrO₂摻雜對(duì)BaTiO₃陶瓷結(jié)構(gòu)和介電性能的影響

[7]何錦強(qiáng)等.ZrO₂摻雜對(duì)氧化鋅壓敏陶瓷電性能的影響

[8]李薦等.添加ZrO₂對(duì)Si₃N₄復(fù)合陶瓷材料力學(xué)性能的影響

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除