中國粉體網(wǎng)訊 5G時(shí)代，手機(jī)產(chǎn)業(yè)迎來革新，氧化鋯陶瓷從這一輪技術(shù)洗牌中脫穎而出，成了手機(jī)背板“寵兒”。2018年，小米MIX2S翡翠色的發(fā)布，開創(chuàng)了智能手機(jī)彩色陶瓷時(shí)代，彩色氧化鋯也被漸漸大眾所認(rèn)識。
彩色氧化鋯產(chǎn)品，來源：江蘇福瑞思
隨著電子通信的發(fā)展和人民生活水平的提高，彩色氧化鋯陶瓷基于其良好的生物相容性，優(yōu)良的金屬光澤，良好的機(jī)械性能在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅嗽絹碓綇V泛的應(yīng)用，包括醫(yī)學(xué)牙科修復(fù)材料，裝飾品行業(yè)和移動(dòng)智能手機(jī)終端等領(lǐng)域。但想給氧化鋯點(diǎn)“顏色”看看，可不是那么容易的。
彩色氧化鋯的制備：一山難容二虎
目前，市面上我們能看到的彩色氧化鋯，主要是因?yàn)樘砑恿瞬煌南⊥猎�、金屬元素及氧化物等材料，而呈現(xiàn)出豐富的顏色。而彩色氧化鋯之所以制備困難，原因在于氧化鋯陶瓷的燒結(jié)溫度通常在1550~1650℃之間，高溫下很多的色料或著色劑會(huì)分解、揮發(fā)而失去效果，所以單純地添加色料或者著色劑來制備色彩鮮艷的氧化鋯陶瓷比較困難。此外，色料的分解會(huì)妨礙陶瓷制品的致密性，大大降低陶瓷材料本身的韌性，影響成品質(zhì)量。因此，彩色陶瓷制備以及對新型顏色種類的開發(fā)是行業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問題，色澤鮮艷無毒害且力學(xué)性能較好的彩色陶瓷具有非常廣泛的市場應(yīng)用前景。
彩色陶瓷的“命門”：粉體控制和燒結(jié)技術(shù)
1.粉體質(zhì)量的把控是關(guān)鍵
彩色氧化鋯的制備本質(zhì)上是為了著色劑可以均勻分布在氧化鋯基體中，對于復(fù)合陶瓷來講尤其是納米復(fù)合陶瓷，由于色劑顆粒和氧化鋯基體粒徑小、比表面積大、顆粒間存在較大的靜電引力和范德華力，致使色劑顆粒與氧化鋯基體顆粒容易發(fā)生團(tuán)聚，此現(xiàn)象不僅會(huì)導(dǎo)致納米復(fù)合陶瓷色度不均，還會(huì)影響其力學(xué)性能。
那么，如何使色劑顆粒均勻分散在氧化鋯基體中，制備出力學(xué)性能和色度兼優(yōu)的彩色氧化鋯陶瓷，其關(guān)鍵就在于能否克服粉體顆粒間的團(tuán)聚。要想制備出性能良好，顏色多樣的氧化鋯陶瓷，必須要找到合適的分散方法，常用的有以下幾種制備方法有：
固相混合法：該法是工業(yè)上采用最多的制備彩色氧化鋯陶瓷的方法，將著色劑、礦化劑等氧化物顆粒按照一定化學(xué)配比，與穩(wěn)定氧化鋯納米粉體進(jìn)行混合、球磨，固體顆粒晶粒在此過程中被細(xì)化，發(fā)生了利于實(shí)現(xiàn)低溫化學(xué)反應(yīng)的微裂紋、晶格扭曲、表面能升高等現(xiàn)象，具有工藝簡單、成本低廉、操作方便、易工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)。但該法無法克服納米顆粒團(tuán)聚的問題。
化學(xué)共沉淀法：該法是利用鋯鹽、穩(wěn)定劑鹽和著色離子鹽溶液混合后，通過與堿或者碳酸鹽等的反應(yīng)，共同生成氫氧化物或者碳酸鹽沉淀，然后加熱分解而獲得氧化鋯復(fù)合粉體，該工藝比較復(fù)雜，但獲得的粉末純度高、性能優(yōu)良，同時(shí)，采用化學(xué)沉淀法時(shí)必須要注意一個(gè)問題，就是硬團(tuán)聚的形成。
液相浸滲法：該是一種新型制備彩色氧化鋯陶瓷的方法，此法優(yōu)點(diǎn)在于：色劑離子可均勻分散在氧化鋯基體中，同時(shí)能夠制備復(fù)合材料和梯度材料。此外，運(yùn)用注射成型可獲得不同形狀的氧化鋯坯體，再通過液相浸滲法可制備出不同形狀的彩色氧化鋯陶瓷。
2.燒結(jié)方式
除了制備方法的不同影響氧化鋯粉體的性能，燒結(jié)方式同樣也會(huì)影響彩色氧化鋯陶瓷的性能以及顏色。隨著學(xué)科交叉以及科技水平的提升，除了傳統(tǒng)燒結(jié)方式也出現(xiàn)了許多新型的燒結(jié)方法：
■ 放電等離子燒結(jié)法
有學(xué)者做測試，用放電等離子燒結(jié)制備中，該法對氧化鋯陶瓷韌性影響最大的是燒結(jié)溫度，其次是燒結(jié)時(shí)間，經(jīng)測試最佳燒結(jié)溫度是1400℃，最佳燒結(jié)時(shí)間是5分鐘，經(jīng)該法燒結(jié)出來的氧化鋯陶瓷硬度和斷裂韌性很高。
■ 微波燒結(jié)
微波燒結(jié)相較于傳統(tǒng)燒結(jié)方式有著不可替代的優(yōu)勢，微波燒結(jié)是一種整體形式的加熱方式，材料把吸收的微波能量轉(zhuǎn)化為分子間的動(dòng)能以及熱能，達(dá)到材料整體加熱的效果，材料內(nèi)部溫度梯度較小，所以很少導(dǎo)致材料由于受熱不均導(dǎo)致開裂。該燒結(jié)方式制備的氧化鋯物理性能更優(yōu)異。
彩色氧化鋯顏色分類
為滿足彩色氧化鋯陶瓷顏色多變，性能穩(wěn)定，材料及制備工藝綠色無污染的需求，國內(nèi)外研發(fā)了十余種彩色氧化鋯。
彩色氧化鋯，來源：內(nèi)蒙古晶陶鋯業(yè)有限公司
■ 紅色陶瓷體系
紅色陶瓷的研究狀況一直不太順利，主要原因在于色料成分不穩(wěn)定，無法承受高溫，或者色料顯現(xiàn)鮮艷但含有對人體有害的物質(zhì)，再者就是較為穩(wěn)定且不含人體有害物質(zhì)，但顏色并不鮮艷。有研究發(fā)現(xiàn)，將氧化鐵(Fe2O3)作為著色劑，以3YSZ為基體，制備出橙紅色的彩色氧化鋯陶瓷，紅度值最高可達(dá)到20，并伴隨著較高的黃度值，其顏色并不能滿足紅色的要求，并且氧化鐵的加入，極大地降低了3YSZ體系的力學(xué)性能，斷裂韌性僅可達(dá)到5.0-6.0MPam1/2，極大地限制了在工業(yè)上的應(yīng)用，由此，紅色陶瓷也成為無法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的、最稀有的一種陶瓷。
9月25日，華為發(fā)布新品：華為Mate 60 RS 非凡大師，其選用了紅色陶瓷設(shè)計(jì)，可謂是新的突破。據(jù)介紹，華為在紅色陶瓷燒結(jié)過程中首次加入了CeO2稀土元素，歷時(shí)60天的精工細(xì)作，經(jīng)過1400℃高溫煅燒、50余道制作工序，將這抹“紅”固定在特定參數(shù)下，打造內(nèi)外如一的通體紅色，成為紅色陶瓷在手機(jī)行業(yè)中首次量產(chǎn)、商用的里程碑。
華為Mate 60 RS 非凡大師，來源：華為官網(wǎng)
由此可見，通過調(diào)整摻入稀土元素的種類，可以改變其顏色明度色調(diào)等，摻雜稀土的色料具有顏色穩(wěn)定耐高溫等特性，稀土元素的特殊電子層構(gòu)成同樣對于陶瓷顯色有著重要的意義，因此稀土摻雜的氧化鋯陶瓷顯色無疑會(huì)成為未來彩色陶瓷色料研究中的重點(diǎn)。
■ 黑色陶瓷體系
隨著陶瓷發(fā)展，人們在黑釉料的基礎(chǔ)上做了很多改進(jìn)，形成了目前日常生活中隨處可見的黑色陶瓷色料。近年來，由于化工原料氧化鈷來源稀缺，價(jià)格昂貴，為了降低成本，人們使用MnO2、Fe2O3、Cr2O3為原料制備的無鈷黑色氧化鋯陶瓷著色劑，燒成三種不同色系的尖晶石，形成呈深褐色的鉻鐵尖晶石，呈暗紅色的鐵錳尖晶石，呈暗綠色的鉻錳尖晶石，通過調(diào)節(jié)配料比控制各尖晶石含量，三種顏色相互影響，就可制得呈色穩(wěn)定的黑色著色劑，而且極大的降低了成本，經(jīng)濟(jì)效益得到提高。
黑色氧化鋯陶瓷，來源：深圳市康柏工業(yè)陶瓷有限公司
然而，在黑色氧化鋯陶瓷的制備過程中，復(fù)相的尖晶石結(jié)構(gòu)容易與氧化鋯基體反應(yīng)，破壞尖晶石結(jié)構(gòu)，相穩(wěn)定性降低，陶瓷容易開裂，成型困難。此外，還原氧化鋯粉體制備的色料顏色為灰黑色，這也為亮黑色的制備帶來了更大的挑戰(zhàn)。
■ 藍(lán)色陶瓷體系
鈷是最早被開發(fā)出來用于藍(lán)色釉料的元素，一直到目前為主，工業(yè)上依然主要依靠氧化鈷(CO2O3)來合成藍(lán)色尖晶石化合物色料進(jìn)一步制備藍(lán)色陶瓷。
目前藍(lán)色色系的陶瓷顏料主要有以釩鋯藍(lán)色料為著色劑、鈷鋁尖晶石、鎳鋁尖晶石以及使用其他離子替代鈷離子位置的尖晶石類的著色劑、六鋁酸鹽以及鑭系著色劑為代表的相關(guān)著色劑，在保證顯色性能和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索環(huán)境友好以及經(jīng)濟(jì)的藍(lán)色色系著色劑仍是目前研究方向的重點(diǎn)。
參考來源：
李洪超：美學(xué)氧化鋯陶瓷的制備與性能研究
呂浩東：稀土摻雜氧化鋯陶瓷的制備及顯色機(jī)理研究
陳蓓：彩色氧化鋯陶瓷燒結(jié)工藝研究
韓丹等：稀土彩色氧化鋯陶瓷的研究進(jìn)展
先進(jìn)陶瓷在線：市面上“五顏六色”的氧化鋯陶瓷加工難度在哪?
丁鈺軒等：彩色氧化鋯的研究現(xiàn)狀及展望.佛山陶瓷
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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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