一、納米復合氧化鋯概述

氧化鋯(ZrO₂)是一種耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和低熱膨脹系數的無機非金屬材料，自然存在形式為單斜相斜鋯石。通常情況下，ZrO2 有3種晶型，屬多晶相轉化的氧化物。在室溫下為單斜相，高于1000 ℃時四方晶相逐漸形成，直至 2370 ℃只存在四方晶相，高于2370℃至熔點溫度則為立方晶相。

圖一 氧化鋯的三種晶型

一般把加入穩定劑后在常溫仍能保持四方相或立方相的氧化鋯稱為復合氧化鋯或復合氧化鋯粉體，又稱半穩定、穩定氧化鋯。常用穩定劑為Y₂O₃，CeO，CaO。

二、納米復合氧化鋯的性能

1、物理性能：高強度、耐高溫、耐磨、自潤滑、絕熱絕緣、膨脹系數可調節等。

2、化學性能：抗腐蝕、氧離子電導率高等。

3、納米性能：比表面積大、儲氧能力強等。

三、納米復合氧化鋯的制備

納米氧化鋯主要有三種制備方法：化學法、電熔法和等離子法，電熔氧化鋯（單斜）主要用于陶瓷色料、磨料和耐火材料三大市場，三者用量占需求總量的60% - 80%。水熱法是生產納米復合氧化鋯的最優方法，核心在于工藝控制。

表一 納米復合氧化鋯的制備方法

四、納米復合氧化鋯的應用

納米氧化鋯具有抗化學侵蝕和微生物侵蝕的特點，它是有著酸性、堿性、氧化性和還原性的金屬氧化物摻雜的陶瓷材料，經過摻雜穩定的氧化鋯在機械、熱學、電磁學、光學方面也有良好的性質，在催化性方面也有重要的應用。

1、義齒材料

納米ZrO₂可明顯提高陶瓷的室溫強度和應力強度因子，從而使陶瓷韌性成倍提高。利用納米ZrO₂制備的復合生物陶瓷材料具有較好的力學性能、化學穩定性、生物相容性，是一種很有應用前景的復合型生物陶瓷材料，尤其在齒科材料和人工關節等方面。作為一種優良的生物惰性陶瓷，無論是作為口腔修復體還是植入體均表現出優異的化學穩定性能，完全滿足作為口腔修復材料的標準。

圖二 氧化鋯在義齒材料方面的應用

2、氧傳感器

采用氧化鋯制成的傳感器有良好的導電性，在控制汽車尾氣、電廠鍋爐的燃燒上起到重要作用。氧化鋯式氧傳感器是目前最成熟，產量最大的一種氧傳感器。是汽車排放控制系統中的關鍵部件之一，其信號輸出特性直接影響發動機的燃油經濟性和排放控制。

圖三 氧化鋯應用于氧傳感器

3、汽車尾氣凈化催化劑助劑

汽車尾氣凈化催化劑一般由三個部分組成：載體、助催化劑、催化劑。其中鋯鈰固溶體復合氧化物材料作為助催化劑使用，是十分重要的涂層材料。另外，鋯鈰固溶體在傳感器材料、拋光材料、燃料電池、結構材料高強度陶瓷等領域亦有廣泛的應用。

    4、光纖連接器陶瓷插芯

納米氧化釔穩定氧化鋯（Nano-YSZ）粉體，因其優異的力學性能、化學穩定性和極高的精密度等，可以用來制備光纖連接器的稀土結構陶瓷光纖插芯（精密針）和套筒，是光纖網絡中應用面最廣并且需求量最大的光纖無源器，是信息網絡基礎設施建設的重要組成部分。

圖四 氧化鋯應用于光纖連接器陶瓷插芯

5、移動終端產品

隨著5G、無線充電等新型傳輸方式的臨近，無線頻段越來越復雜，金屬機殼屏蔽將成為重大瓶頸。布局嚴格要求的5G天線，需要變換現有的金屬機殼材質，陶瓷和玻璃都將成為可選方案。同時對于無線充電技術來講，金屬材料也是非常不友好的。因為目前大多數無線充電技術均采用電磁波原料，而金屬對于電磁波會造成干擾，使得充電效率大大降低。可替代材料有塑料、玻璃和陶瓷。塑料易有刮痕，玻璃易碎，陶瓷材料憑借其優異的物理特性正逐步滲透到智能手機的外觀件領域。

2014年金立手機首次推出以氧化鋯陶瓷作為背板材料的智能手機-天鑒W808，此后華為、小米等手機廠商相繼推出了該類型手機，逐漸使得氧化鋯陶瓷手機背殼被大眾知曉。小米MIX配備的全陶瓷機身，選擇僅次于藍寶石硬度的微晶鋯陶瓷作為坯料，經7天1500^oC高溫煅燒，莫氏硬度高達8.5，鑰匙、刀具等都不會造成任何磨損。

圖五 氧化鋯應用于陶瓷手機蓋板

6、坩堝

在冶煉稀有、難熔貴金屬及合金時，由于需要加熱到較高溫度，一般材料難以滿足要求，采用氧化鋯制成的坩堝可加熱到2430 ^oC，氧化鋯成為高溫條件下使用坩堝的首選材料。

7、特種刀具

陶瓷刀具在20世紀初期即有使用，但因其脆性局限其使用范圍。近年來，隨著納米復合氧化鋯復合材料的進步，其韌性大幅改善。陶瓷刀從原有的航空航天等高科技領域開始擴大到工業陶瓷刀具，現在，已廣泛應用于日常生活領域中。氧化鋯可加工成各種刀具，在具有傳統金屬刀具優點同時，還具有不生銹、健康、耐磨等優點，被譽為陶瓷鋼。

圖六 氧化鋯在陶瓷刀具方面的應用

8、燃料電池

固體氧化物燃料電池用鋯基電解質是SOFC中應用最為廣泛，研究最多的電解質材料。立方穩定ZrO₂基電解質材料擁有極大的離子電導率，在高溫下、氧化和還原氣氛中保持良好的化學穩定性，并且在很大的氧分壓范圍內具有純的氧離子導電特性，同時具有很好的機械加工強度，可制作成致密膜電解質，因此其滿足了固體氧化物燃料電池的幾乎所有要求，成為制備SOFC電解質材料的首選，是固體氧化物燃料電池的核心部件。

圖七 氧化鋯應用于燃料電池

9、特種機械零部件

陶瓷材料的脆性限制了其應用發展，納米陶瓷是解決陶瓷脆性一種非常重要的途徑。實驗證明，可以利用ZrO₂四方相相變為單斜相產生顯微裂痕和殘余應力對陶瓷進行增韌。納米ZrO₂能夠明顯提高陶瓷的室溫強度和應力強度因子，從而使陶瓷韌性成倍提高。特種超韌型納米復合氧化鋯在軸承、軸套、閥球、殼體等領域有廣泛應用。

10、耐火材料

由于氧化鋯的熔點高、導熱系數低、化學性能穩定，所以常用做耐火材料。用納米氧化鋯制備的耐火材料優勢更加顯著，耐高溫（使用溫度可達2200^oC）、強度高、絕熱性能好、化學穩定性優，主要用于操作溫度在2000^oC以上的環境中。

圖八 氧化鋯應用于耐火材料

                                                       作者：谷雨