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上海儒特機(jī)電設(shè)備有限公司 2023-04-23 點(diǎn)擊1554次
論述了氧化鋯的基本性能,并對(duì)氧化鋯材料自問(wèn)世以來(lái)被人類(lèi)所利用的領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)的研究,發(fā)現(xiàn)目前除被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)領(lǐng)域耐火材料、結(jié)構(gòu)材料、功能材料、寶石材料之外,正逐漸被裝飾陶瓷所采納,如彩色氧化鋯陶瓷、陶瓷首飾等異軍突起,成為裝飾陶瓷領(lǐng)域的一支奇琶,倍受世人矚目。
引言
氧化鋯是一種耐高溫、耐腐蝕、耐磨損而且具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的無(wú)機(jī)非金屬材料,20世紀(jì)20年代初即被應(yīng)用于耐火材料領(lǐng)域,直到上世紀(jì)70年代中期以來(lái),國(guó)際上歐美日先進(jìn)***竟相投入具資研究開(kāi)發(fā)氧化鋯生產(chǎn)技術(shù)和氧化鋯系列產(chǎn)品生產(chǎn),進(jìn)一步將氧化鋯的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)材料和功能材料,同時(shí)氧化鋯也是***產(chǎn)業(yè)政策中鼓勵(lì)重點(diǎn)發(fā)展的高性能新材料之一,目前正廣泛地被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中。
本文綜述了氧化鋯的基本性能及氧化鋯材料的種類(lèi)和應(yīng)用,并對(duì)氧化鋯材料的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
1氧化鋯基本性能
常壓下純的氧化鋯有三種晶型,低溫為單斜晶系,密度5.65g/cm3,高溫為四方晶系,密度6.10g/cm3,更高溫度下為立方晶系,密度6.27g/cm3,其相互間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如下:
天然ZrO2和用化學(xué)法得到的ZrO2屬于單斜晶系。
單斜晶型與四方晶型之間的轉(zhuǎn)變伴隨有7%左右的體積變化。加熱時(shí)由單斜ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆絑rO2,體積收縮,冷卻時(shí)由四方ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡盳rO2,體積膨脹。但這種收縮與膨脹并不發(fā)生在同一溫度,前者約在1200℃,后者約在1000℃。
由于晶型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積變化,會(huì)造成開(kāi)裂,故單純的氧化鋯陶瓷很難生產(chǎn),通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)加入適量的晶型穩(wěn)定劑CaO、MgO、Y2O3、CeO2等和其他稀土氧化物,可以使ZrO2相變溫度降低至室溫以下,使高溫穩(wěn)定的四方和立方氧化鋯在室溫也能以穩(wěn)定或亞穩(wěn)定形式存在,形成無(wú)異常膨脹、收縮的立方、四方晶型的穩(wěn)定氧化鋯
(FSZ)和部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)[1]。
氧化鋯中隨著穩(wěn)定劑加入量的不同,會(huì)產(chǎn)生不同晶型的氧化鋯,相變過(guò)程中由于體積和形狀的改變,能夠吸收能量,減少裂紋***應(yīng)力集中,阻止裂紋擴(kuò)展,提高陶瓷材料的韌性,從此氧化鋯相變?cè)鲰g陶瓷的研究和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展,主要有三種類(lèi)型:部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷;四方氧化鋯多晶體陶瓷;氧化鋯增韌陶瓷。
2氧化鋯應(yīng)用領(lǐng)域
2.1氧化鋯耐火材料
氧化鋯從20世紀(jì)20年代初就被應(yīng)用于耐火材料領(lǐng)域,直至今天在耐火材料領(lǐng)域仍然占有一席之地。
2.1.1氧化鋯坩堝
如前所述氧化鋯的熔點(diǎn)高達(dá)2700℃,即使加熱到1900多攝氏度也不會(huì)與熔融的鋁、鐵、鎳、鉑等金屬,硅酸鹽和酸性爐渣等發(fā)生反應(yīng),所以用氧化鋯材料制作的坩堝能成功地熔煉鉑、鈀、釕、銫等鉑族貴金屬及其合金,亦可用來(lái)熔煉鉀、鈉、石英玻璃以及氧化物和鹽類(lèi)等[4]。
2.1.2氧化鋯耐火纖維
氧化鋯纖維是***一種能夠在1600℃以上超高溫環(huán)境下長(zhǎng)期使用的陶瓷纖維耐火材料,具有比氧化鋁纖維、莫來(lái)石纖維、硅酸鋁纖維等更高的使用溫度和更好的隔熱性能,并且高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕、抗氧化、不易揮發(fā)、無(wú)污染。這些優(yōu)異特性決定了氧化鋯纖維是一種***的高檔耐火纖維材由南京理工大學(xué)攻關(guān)的氧化鋯纖維技術(shù)目前已經(jīng)取得比較成熟的制備工藝。
2.1.3氧化鋯窯爐材料
氧化鋯作為耐火材料主要用在大型玻璃池窯的關(guān)鍵部位,早期使用的鋯質(zhì)耐火材料,其氧化鋯含量?jī)H為33%~35%,日本旭硝子公司研制成功含氧化鋯94%~95%的鋯質(zhì)耐火材料,將其使用在玻璃窯頂部和關(guān)鍵部位,
大大提高了玻璃窯的壽命。
將氧化鋯熔融、吹制后得到大小不同的氧化鋯空心球,制備各種高級(jí)隔熱磚,避免了陶瓷纖維老化后的粉塵污染問(wèn)題.
2.2氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷
1975年澳大利亞R.G.Garvie以氧化鈣為穩(wěn)定劑制得部分穩(wěn)定氧化鋯,并***利用氧化鋯馬氏體相變?cè)鲰g的效應(yīng),提高了韌性和強(qiáng)度,極大的擴(kuò)展了氧化鋯在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用。
2.2.1氧化鋯陶瓷軸承
氧化鋯全陶瓷軸承具抗磁電絕緣、耐磨、耐腐蝕、無(wú)油自潤(rùn)滑、耐高溫、耐高寒等特點(diǎn),可用于極度惡劣環(huán)境及特殊工況。
目前氧化鋯陶瓷軸承已被微型冷卻風(fēng)扇所采用,其產(chǎn)品壽命及噪音穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)的滾珠及滑動(dòng)軸承系統(tǒng),富士康公司率先在電腦散熱風(fēng)扇上采用了氧化鋯陶瓷軸承。
2.2.2氧化鋯陶瓷閥門(mén)
目前,我國(guó)各個(gè)行業(yè)中普遍使用的閥門(mén)是金屬閥門(mén),金屬閥門(mén)的使用也有100多年的歷史,期間雖然也經(jīng)歷過(guò)材料及結(jié)構(gòu)的改變,但由于受金屬材料自身的限制,金屬的腐蝕破壞對(duì)閥門(mén)耐磨性的作用期限、可靠性、使用壽命具有相當(dāng)大的影響,機(jī)械和腐蝕的作用因素對(duì)金屬的作用大大地增加了接觸表面總的磨損量,閥門(mén)操作過(guò)程中,摩擦的表面由于同時(shí)的機(jī)械作用和金屬與環(huán)境進(jìn)行化學(xué)的或電化學(xué)的相互作用的結(jié)果產(chǎn)生磨損和破壞,對(duì)于閥門(mén)而言,其管道工作氣候條件的復(fù)雜;石油、天然氣和油層水等介質(zhì)中硫化氫、二氧化碳和某些有機(jī)酸的出現(xiàn),使其表面的破壞力增大,從而迅速失去工作能力。
氧化鋯陶瓷閥門(mén)優(yōu)良的耐磨性、防腐性、抗高溫?zé)嵴鹦?,能夠勝任這一領(lǐng)域。
2.2.3氧化鋯研磨材料
氧化鋯珠具有硬度大、磨損率小、使用壽命長(zhǎng)、可大幅減少研磨原料的污染,能夠很好地保證產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)氧化鋯材料密度大,用做研磨介質(zhì)時(shí)撞擊能量強(qiáng),可大大提高研磨分散效率,可有效縮短研磨時(shí)間。
良好的化學(xué)穩(wěn)定性決定了其耐腐蝕性,可以在酸性和堿性介質(zhì)中使用。
由中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院研究開(kāi)發(fā)的氧化鋯陶瓷磨球,磨損率僅為0.04/24h,在球磨、振動(dòng)磨、行星磨和攪拌磨等磨機(jī)中被廣泛采用當(dāng)作研磨介質(zhì)。
2.3氧化鋯功能陶瓷
2.3.1圓珠筆用氧化鋯陶瓷球珠
我國(guó)是制筆大國(guó),國(guó)際上每5支筆中有4支來(lái)自中國(guó),已形成近800億元/年的市場(chǎng),一般情況下,圓珠筆用球珠主要是不銹鋼和炭化鎢材料,但這類(lèi)球珠在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)斷線、掉珠、死珠、蘸頭等現(xiàn)象,目前由河北省勇龍邦大新材料有限公司與清華大學(xué)新型陶瓷與工藝***重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同研制的“圓珠筆用氧化鋯陶瓷球珠”克服了以上缺陷,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,該科技成果已被列為***制筆行業(yè)“十一五”***重點(diǎn)推廣新產(chǎn)品[3]。
2.3.2氧化鋯陶瓷刀具
氧化鋯陶瓷刀具具有高強(qiáng)度、耐磨損、無(wú)氧化、不生銹、耐酸堿、防靜電、不會(huì)與食物發(fā)生反應(yīng)的特點(diǎn),同時(shí)刀體光澤如玉,是當(dāng)今世界理想的高科技綠色刀具,目前市場(chǎng)主要產(chǎn)品有:氧化鋯陶瓷餐刀、剪刀、剃須刀、手術(shù)刀等,近幾年在歐、美、日、韓等地已開(kāi)始流行。
2.3.3氧化鋯高溫發(fā)熱材料
氧化鋯在常溫下為絕緣材料,比電阻高達(dá)1015Ω·cm,溫度升高至600℃可以導(dǎo)電,而在1000℃以上時(shí)是良導(dǎo)體,可作1800℃高溫發(fā)熱元件,***工作溫度可以達(dá)到2400℃,目前已經(jīng)被成功地用于2000℃以上氧化氣氛下的發(fā)熱元件及其設(shè)備中,磁流體發(fā)電的電極材料也在積極的研究之中。
2.3.4氧化鋯生物陶瓷材料
烤瓷牙家族中的貴族—氧化鋯烤瓷牙,烤瓷牙材料的好壞直接影響它的質(zhì)量和患者身體健康,因烤瓷牙的內(nèi)冠是由不同金屬材料制作而成,金屬內(nèi)冠易與口腔唾液發(fā)生氧化反應(yīng),氧化鋯材質(zhì)的烤瓷牙由于沒(méi)有金屬內(nèi)冠層,牙齒透明度好,光澤度***,更有效避免了牙齒過(guò)敏和牙齦黑線等問(wèn)題,具有足夠好的遮色能力,能夠完美解決重度四環(huán)素牙患者的牙齒美容需求,而且氧化鋯材質(zhì)的強(qiáng)韌性彌補(bǔ)了普通烤瓷牙易蹦缺的缺點(diǎn),生物相容性好,不刺激口腔粘膜組織,易于清潔,是目前國(guó)內(nèi)外***質(zhì)的烤瓷牙。
2.3.5氧化鋯涂層材料
高性能Y2O3等穩(wěn)定劑穩(wěn)定的氧化鋯熱障陶瓷涂層材料,主要應(yīng)用于高性能渦輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
2.3.6氧化鋯通訊材料
近年來(lái)隨著信息及通信等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,其產(chǎn)品越來(lái)越向高精密、小型化方向發(fā)展,增韌氧化鋯陶瓷優(yōu)良的力學(xué)性能、耐腐蝕及高絕緣性能能夠勝任這一領(lǐng)域,
目前已有氧化鋯陶瓷插針和氧化鋯陶瓷套筒產(chǎn)品問(wèn)世。
在陶瓷PC型光纖活動(dòng)連接器中,二氧化鋯插針體是其關(guān)鍵部件。
2.3.7氧化鋯氧傳感器
汽車(chē)工業(yè)中在使用三效催化轉(zhuǎn)化器降低排放污染的發(fā)動(dòng)機(jī)上,氧傳感器是必不可少的,目前使用的氧傳感器有氧化鈦式和氧化鋯式兩種,其中應(yīng)用***多的就是氧化鋯式氧傳感器。
早在20世紀(jì)70年代中期,日本汽車(chē)生產(chǎn)技術(shù)完備卻難以進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng),但美國(guó)制定新政策限制汽車(chē)尾氣污染給日本帶來(lái)了機(jī)會(huì),日本科學(xué)家把氧化鋯制成多孔氧傳感器,裝在發(fā)動(dòng)機(jī)里自動(dòng)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)里氧氣與燃燒氣體的比例,并自動(dòng)控制輸入氣體和排出氣體的比例,從而大大減少汽車(chē)排放的有害氣體,使日本汽車(chē)一舉打入美國(guó)市場(chǎng)。
2.4氧化鋯裝飾材料
傳統(tǒng)意義上的裝飾陶瓷由普通硅酸鹽系統(tǒng)材料制作而成,例如:陳設(shè)瓷中的花瓶、陶瓷畫(huà)板、室內(nèi)外裝潢用陶瓷墻地磚等。氧化鋯裝飾材料開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)美化自身的新領(lǐng)域,目前主要應(yīng)用于單純的佩飾品及兼有應(yīng)用功能的佩飾品。
2.4.1氧化鋯寶石材料
氧化鋯寶石材料分為天然立方氧化鋯和人工合成立
方氧化鋯兩種。
自然狀態(tài)下天然的立方氧化鋯極難尋找到,決定了其具有了寶石材料稀有性的特點(diǎn),自然形成的立方氧化鋯顏色非常豐富,大顆優(yōu)質(zhì)的天然鋯石價(jià)格決不在同等的鉆石之下,是非常稀少的貴重天然寶石。
人工合成立方氧化鋯光學(xué)性能良好,是廉價(jià)而有美麗的鉆石替代品。
2.4.2氧化鋯陶瓷首飾
氧化鋯陶瓷首飾目前主要有以下幾種類(lèi)型:
(1)鑲嵌了氧化鋯的銀首飾,在這里氧化鋯的范圍就比較寬廣,包括二氧化鋯石、工業(yè)二氧化鋯、高純二氧化鋯、穩(wěn)定二氧化鋯、超細(xì)二氧化鋯、鋯英砂、鋯英粉等,鑲有立方氧化鋯的銀鍍銠的首飾特別受歐洲客戶的青睞。
(2)單純氧化鋯材料佩飾品,是目前裝飾陶瓷市場(chǎng)正悄然興起的一類(lèi)產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)已有陶瓷生產(chǎn)公司在研究、開(kāi)發(fā)、銷(xiāo)售這類(lèi)產(chǎn)品過(guò)程中走在了同行業(yè)的前列,對(duì)這一產(chǎn)業(yè)政府也給予了高度重視,2006年北京市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金無(wú)償資助項(xiàng)目中就有彩色氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷的研制,市面上有近300多種新的陶瓷佩飾產(chǎn)品,既包括各種新型的款式也包括各種色澤明快的顏色,而且該類(lèi)產(chǎn)品在歐、美、日和中國(guó)香港等地區(qū)均有很好的市場(chǎng),特別受到歐洲市場(chǎng)的青睞。
(3)兼有應(yīng)用功能的佩飾品,典型的產(chǎn)品是陶瓷手表表殼、表圈、表帶等產(chǎn)品,國(guó)際知名品牌Chanel/香奈爾、RADO/雷達(dá)等手表均有全陶瓷款式,而且價(jià)格不菲。
2.5氧化鋯其它應(yīng)用
2.5.1與氧化鋯形成復(fù)相材料
與其它材料復(fù)合形成的復(fù)相材料,比如氧化鋯與氧化鋁、莫來(lái)石等材料形成的復(fù)相材料,得到了比單相材料具有更優(yōu)異性能的新材料。
2.5.2普通陶瓷添加劑
陶瓷色釉料方面的應(yīng)用:氧化鋯為黃綠色顏料良好的助色劑,若想獲得性能較好的釩鋯黃顏料,必須選用質(zhì)純的氧化鋯,另外在釉料制造方面,純的氧化鋯可以提高釉的高溫粘度和擴(kuò)大高溫粘度變化的溫度范圍,有較好的熱穩(wěn)定性,其含量為2%~3%時(shí),能提高釉料的抗龜裂性能,還因氧化鋯的化學(xué)惰性大,能提高釉料的化學(xué)穩(wěn)定性和抗酸堿侵蝕的能力,有時(shí)也被用來(lái)制作乳濁釉。
2.5.3制備鉻酸鹽原料
制備鋯酸鹽的原料,由二氧化鋯和一些金屬氧化物或金屬碳酸鹽反應(yīng)生成,它們都是大分子結(jié)構(gòu),具有各種電性能,為高溫、電子元器件等領(lǐng)域所應(yīng)用。
3 氧化鋯發(fā)展前景
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展,人類(lèi)對(duì)于氧化鋯的認(rèn)識(shí)必將更進(jìn)一步深入,氧化鋯定會(huì)以新的面貌出現(xiàn),近幾年國(guó)內(nèi)的一些公司已能夠生產(chǎn)高質(zhì)量超細(xì)氧化鋯粉體,且大部分產(chǎn)品出口,但是在粉料制備方面仍然整體處于較落后水平,今后的發(fā)展應(yīng)朝著超細(xì)、高純方向發(fā)展,產(chǎn)品制造方面應(yīng)朝著新功能、新應(yīng)用領(lǐng)域方向發(fā)展,不斷擴(kuò)大氧化鋯應(yīng)用領(lǐng)域。
4 結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)以上所述發(fā)現(xiàn),目前氧化鋯陶瓷材料應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸發(fā)展到裝飾陶瓷領(lǐng)域、珠寶首飾品領(lǐng)域,高檔***品消費(fèi)領(lǐng)域,正沿著種類(lèi)、功能多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。