一、納米復(fù)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(shù)的無機(jī)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(zhuǎn)化的氧化物。在室溫下為單斜相，高于1000 ℃時(shí)四方晶相逐漸形成，直至 2370 ℃只存在四方晶相，高于2370℃至熔點(diǎn)溫度則為立方晶相。

圖一 氧化鋯的三種晶型

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

二、納米復(fù)合氧化鋯的性能

1、物理性能：高強(qiáng)度、耐高溫、耐磨、自潤滑、絕熱絕緣、膨脹系數(shù)可調(diào)節(jié)等。

2、化學(xué)性能：抗腐蝕、氧離子電導(dǎo)率高等。

3、納米性能：比表面積大、儲(chǔ)氧能力強(qiáng)等。

三、納米復(fù)合氧化鋯的制備

納米氧化鋯主要有三種制備方法：化學(xué)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(chǎn)納米復(fù)合氧化鋯的最優(yōu)方法，核心在于工藝控制。

表一 納米復(fù)合氧化鋯的制備方法

四、納米復(fù)合氧化鋯的應(yīng)用

納米氧化鋯具有抗化學(xué)侵蝕和微生物侵蝕的特點(diǎn)，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(jīng)過摻雜穩(wěn)定的氧化鋯在機(jī)械、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)方面也有良好的性質(zhì)，在催化性方面也有重要的應(yīng)用。

1、義齒材料

納米ZrO₂可明顯提高陶瓷的室溫強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而使陶瓷韌性成倍提高。利用納米ZrO₂制備的復(fù)合生物陶瓷材料具有較好的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性，是一種很有應(yīng)用前景的復(fù)合型生物陶瓷材料，尤其在齒科材料和人工關(guān)節(jié)等方面。作為一種優(yōu)良的生物惰性陶瓷，無論是作為口腔修復(fù)體還是植入體均表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性能，完全滿足作為口腔修復(fù)材料的標(biāo)準(zhǔn)。

圖二 氧化鋯在義齒材料方面的應(yīng)用

2、氧傳感器

采用氧化鋯制成的傳感器有良好的導(dǎo)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(chǎn)量最大的一種氧傳感器。是汽車排放控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其信號(hào)輸出特性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放控制。

圖三 氧化鋯應(yīng)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(gè)部分組成：載體、助催化劑、催化劑。其中鋯鈰固溶體復(fù)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(jié)構(gòu)材料高強(qiáng)度陶瓷等領(lǐng)域亦有廣泛的應(yīng)用。

    4、光纖連接器陶瓷插芯

納米氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（Nano-YSZ）粉體，因其優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)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(jié)構(gòu)陶瓷光纖插芯（精密針）和套筒，是光纖網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用面最廣并且需求量最大的光纖無源器，是信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。

圖四 氧化鋯應(yīng)用于光纖連接器陶瓷插芯

5、移動(dòng)終端產(chǎn)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(fù)雜，金屬機(jī)殼屏蔽將成為重大瓶頸。布局嚴(yán)格要求的5G天線，需要變換現(xiàn)有的金屬機(jī)殼材質(zhì)，陶瓷和玻璃都將成為可選方案。同時(shí)對(duì)于無線充電技術(shù)來講，金屬材料也是非常不友好的。因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)無線充電技術(shù)均采用電磁波原料，而金屬對(duì)于電磁波會(huì)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(yōu)異的物理特性正逐步滲透到智能手機(jī)的外觀件領(lǐng)域。

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

圖五 氧化鋯應(yīng)用于陶瓷手機(jī)蓋板

6、坩堝

在冶煉稀有、難熔貴金屬及合金時(shí)，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(jì)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(fù)合氧化鋯復(fù)合材料的進(jìn)步，其韌性大幅改善。陶瓷刀從原有的航空航天等高科技領(lǐng)域開始擴(kuò)大到工業(yè)陶瓷刀具，現(xiàn)在，已廣泛應(yīng)用于日常生活領(lǐng)域中。氧化鋯可加工成各種刀具，在具有傳統(tǒng)金屬刀具優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，還具有不生銹、健康、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為陶瓷鋼。

圖六 氧化鋯在陶瓷刀具方面的應(yīng)用

8、燃料電池

固體氧化物燃料電池用鋯基電解質(zhì)是SOFC中應(yīng)用最為廣泛，研究最多的電解質(zhì)材料。立方穩(wěn)定ZrO₂基電解質(zhì)材料擁有極大的離子電導(dǎo)率，在高溫下、氧化和還原氣氛中保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并且在很大的氧分壓范圍內(nèi)具有純的氧離子導(dǎo)電特性，同時(shí)具有很好的機(jī)械加工強(qiáng)度，可制作成致密膜電解質(zhì)，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(zhì)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(yīng)用于燃料電池

9、特種機(jī)械零部件

陶瓷材料的脆性限制了其應(yīng)用發(fā)展，納米陶瓷是解決陶瓷脆性一種非常重要的途徑。實(shí)驗(yàn)證明，可以利用ZrO₂四方相相變?yōu)閱涡毕喈a(chǎn)生顯微裂痕和殘余應(yīng)力對(duì)陶瓷進(jìn)行增韌。納米ZrO₂能夠明顯提高陶瓷的室溫強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而使陶瓷韌性成倍提高。特種超韌型納米復(fù)合氧化鋯在軸承、軸套、閥球、殼體等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

10、耐火材料

由于氧化鋯的熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)性能穩(wěn)定，所以常用做耐火材料。用納米氧化鋯制備的耐火材料優(yōu)勢更加顯著，耐高溫（使用溫度可達(dá)2200^oC）、強(qiáng)度高、絕熱性能好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)，主要用于操作溫度在2000^oC以上的環(huán)境中。

圖八 氧化鋯應(yīng)用于耐火材料

                                                       作者：谷雨