一文了解納米氧化鋯復合陶瓷粉體

發布時間 | 2019-01-10 08:56 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 5488

干燥氮化硼氧化鋯氧化鋁納米材料

導讀：

氧化鋯是20世紀70年代發展起來的新型結構陶瓷材料，由于具有耐磨損、耐腐蝕、強度大、熔點高等特性，在冶金、電子、化工、機械等領域有著廣泛的應用。在不同條件下，氧化鋯有三種不同的晶型存在：立方相（c-ZrO₂）)、四方相（t-ZrO₂）和單斜相（m-ZrO₂）以上3種晶型存在于不同的溫度范圍，并可以相互轉化。

圖1 氧化鋯晶體結構（左：立方相；中：四方相；右：單斜相）

氧化鋯陶瓷材料作為先進陶瓷中最重要的一類材料，是現代高新技術產業發展重要基礎材料。尤其是納米氧化陶瓷以其特殊的結構和性能，已成為產業關注的熱點。下面小編簡要就制備納米氧化鋯陶瓷所需的粉體材料進行介紹。

1、Ni-P包覆納米氧化鋯復合粉體

Ni-P包覆納米氧化鋯復合粉體制備工藝過程是首先利用化學沉淀法制備了納米ZrO₂粉體，然后采用化學鍍方法制備了Ni-P包覆納米ZrO2粉體。由于ZrO₂在化學鍍鎳溶液中不具備自催化活性，必須對ZrO₂納米粒子進行前處理，一般采用一步鈀催化法，Pd²⁺直接吸附在ZrO₂粉體表面上，然后在還原性溶液中將Pd²⁺還原成金屬鈀，這樣的納米粉體表面就具有了化學鍍鎳所具有的催化活性。一般對于非導電性能的粉體預處理過程采用敏化- 活化兩步法。但是兩步法處理后，殘留在粉體中的亞鎳離子很難除去，常常給粉體的活性帶來不利影響，目前用一步鈀催化法和原位鈀等預處理。

目前，Ni-P包覆納米氧化鋯復合粉體制備的陶瓷材料在半導體納米材料中得到越來越廣泛的應用和研究。

圖2 Ni-P包覆納米氧化鋯復合粉體SEM圖

2、氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷復合粉體

氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷是目前人們研究最廣泛的結構陶瓷材料之一。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的增韌機理是基體晶粒的細化、相變韌化、微裂紋增韌、裂紋的轉向與分叉。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的性能主要由其在燒結過程中形成的顯微結構，而顯微結構又主要由原料的粉體狀態來決定，所以有目的地進行粉體制備和粉體性能調控、處理，以制備優質Al₂O₃/ZrO₂納米復合陶瓷粉體是制備性能優異氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的前提。Al₂O₃/ZrO₂納米復合陶瓷粉體制備方法主要有機械混合法、多相懸浮液混合法、溶膠-凝膠法、化學沉淀法等。

名稱	工藝過程	優點	缺點
機械混合法	一般以工業純的Al₂O₃ 粉體、蘇州土、碳酸鈉、（1.5Y₄Ce）— ZrO₂為原料，通過球磨方法制備陶瓷復合粉體。	工藝直接簡單、成本低。	不能保證多相組成的均勻分散，制備的復合陶瓷存在較高的氣孔率, 使材料的機械性能下降。
多相懸浮液混合法	以ZrCl₄、氨水為原料制得Zr（OH）₄，煅燒得到ZrO₂，以HNO₃為穩定劑制成ZrO₂懸浮液，再將工業Al₂O₃制備成穩定分散的懸浮液，分別經過球磨處理，按一定比例混合、過濾、干燥制成85%質量分數 Al₂O₃-15%質量分數 ZrO₂。	制備的復合陶瓷粉體粒徑分布均勻，有利于后續陶瓷的燒結工藝。	研究多相固體共同懸浮，共同絮聚的條件、工作難度較大。
溶膠-凝膠法	以無機鹽硝酸氧鋯 ZrO（NO₃）₂.2H₂O，硝酸鋁Al（NO₃）₃.9H₂O為主要原料，用溶膠-凝膠法制備出50%質量分數Al₂O₃-50%質量分數ZrO₂納米復合陶瓷粉體。	納米復合粉體粒度小，分布窄，純度高。	處理過程時間長，對健康有害且形成膠粒及凝膠過濾、洗滌過程不易控制。
化學沉淀法	以ZrOCl2·8H2O、NH4OH、鋁鹽、高分子分散劑為主要原料，通過化學反應在溶液制備Al₂O₃/ZrO₂納米復合陶瓷粉體。	制備的復合粉體粒徑小，且由于加入了分散劑，粉體分散性較好。	制備時間較長，且工藝過程不易控制

氧化鋯增韌氧化鋁復合陶瓷系統中，氧化鋁是一種高強度的基體，填隙的氧化鋯提供相變增韌機制，利用ZrO₂的相變特性對陶瓷材料進行增韌仍是今后陶瓷增韌研究的主要課題之一。

氧化鋯增韌氧化鋁復合陶瓷具有優良的抗腐蝕性、抗熱振性、較高的強度和韌性，具有廣泛的應用前景。用氧化鋯增韌氧化鋁復合陶瓷可以制作陶瓷刀具用來實現對鑄鐵和合金的加工，還可以制成工程陶瓷的界面結構，以延長工程材料的使用壽命，用氧化鋯增韌氧化鋁可以制成耐磨瓷球，因為氧化鋁陶瓷材料具有良好的生物相容性，還可以作為生物醫用材料，用于硬組織（牙齒）的重建和修復。

3、氮化硼-氧化鋯復合粉體

氮化硼-氧化鋯復合粉體制備是利用機械混合法，以氮化硼、氧化鋯和添加助劑為主要原料，經混合配料后在酒精介質中球磨混料，干燥后制備得到復合粉體。其后裝模在熱壓燒結爐中燒成氮化硼氧化鋯復合陶瓷。由純氮化硼本身燒結能力差，難以燒結致密化，一般情況下需添加CaO、B₂O₃、Al₂O₃、ZnO等作為燒結助劑。

圖3 氮化硼-氧化鋯復合陶瓷

氮化硼-氧化鋯復合陶瓷具有高強度、高韌性、高導熱、低膨脹，以及具備與熔融金屬呈現化學惰性、化學腐蝕性等優良的物化性能，另外，產品還具有優良的抗熱震、抗侵蝕、耐磨性和易加工等性能，使得該材料可適用于薄帶連鑄側封板、噴射成形導液管、金屬噴絲用噴嘴、連鑄功能耐火材料等多個領域。

4、t-ZrO₂ -TiN納米復合粉體

t-ZrO₂ -TiN納米復合粉體是利用化學沉淀法以ZrOCl₂·8 H₂O、Y（NO₃）·6 H₂O、Ti（SO4）₂為原料，以氨水作沉淀劑，經化學共沉淀得到ZrO2-TiO2-Y2O3系統的水合氫氧化物膠體。除去雜質離子脫水后經高溫煅燒從而獲得t-ZrO₂ -TiO₂-Y₂O₃細粉，采用氨氣還原氮化法，在流動的氨氣氛下原位反應生成氮化鈦，同時保持四方相氧化鋯含量和結構不變，通過高溫下選性氮化反應即可得到產物，經表征氮化后復合粉體中t-ZrO₂的粒徑為50～70nm，氮化效果可達到98%以上。

TiN與絕大部分重要的工程陶瓷材料都有良好的相容性，將TiN引入四方多晶氧化鋯材料中，利用 TiN的高熔點，高硬度來提高材料的耐磨性能和硬度并能起到補強增韌的效果還可以利用TiN的高導電性，采用電火花加工技術將材料加工成復雜形狀的器件。

5、納米鈰鋯復合氧化物粉體

納米鈰鋯復合氧化物粉體制備方法主要有高溫焙燒法、溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法和固相反應法等。高溫焙燒法是在在水-乙醇溶劑中，由干燥的Al（NO₃）₃·9H₂ O·Ce（NO₃）₃·6H₂O和單斜相二氧化鋯納米粉體組成的懸浮液，經高溫熱分解，制備出了粒度小于100μm的Al₂O₃摻雜CeO₂包覆單斜相二氧化鋯復合粉體。