氧化鋯涂層（薄膜）的應用與研究

摘要重點歸納了氧化鋯（ZrO2）作為熱障涂層材料的應用和研究內容， 并對 ZPO2 功能薄膜材料和生物涂層材料的研究進行了簡單總結。 對納米氧化鋯涂層的研究現狀進行初步介紹。
關鍵詞氧化鋯（ZPO2） 熱障涂層 功能薄膜 納米涂層

ZPO2 是一種具有很大發展潛力的涂層材料，無論是在結構材料還是在功能材料領域。 同其它陶瓷材料相比，它具有較高的強度、斷裂韌性以及良好的耐磨損性。 氧化鋯（ZrO2）作為涂層材料得到廣泛應用的本質原因， 是由 2 方面的特點決定的： （1）氧化鋯優異的熱學和力學性能： 第 1它的線脹系數高， 接近金屬基質，（為 9 X 10 - 6 ~11.5 X 10 - 6 / K）； 第 2， 氧化鋯涂層的熱導率在一個很寬的溫度范圍內變化很小，幾乎為一常數；第3，熱 導 率 的 值 也 較 ?。?W/ m·K）， 尤 其 在 高 溫1000C時， 它的熱導率數值是所有致密陶瓷材料中最低（~ 2.3W/ m·K）； 在氣孔和裂紋存在的情況下，Y2O3 穩定 ZPO2 材料的熱導率值通常在 0.8~ 1.7W/ m.< 之 間。 第 4， 它 的 彈 性 模 量 為 ~50Gpa，從而保證了它具有很高的緩解應力的性能；第 5， Y2O3 穩定 ZPO2 材料有相對較低的密度~ 6.4<g / m3，有利于獲得高性能的涂層， 而不會引起器件重量的較大變化； 第 6， Y2O3 穩定 ZPO2 材料的硬度達 ~ 14Gpa，從而使該材料具有良好的抗腐蝕 性； 第 7， Y2O3 穩 定 ZPO2 材 料 熔 點 高 達2700C，保證了它在高溫下應用時更穩定。（2）氧化鋯（ZPO2）本身存在 3 種相態： 低溫單斜、中溫四方和高溫立方相，其中，低溫單斜和中溫四方相之間的相變，會導致 3% ~ 5%（體積分數）左右的體積變化，常常導致微裂紋的產生，有利于材料韌性的提高。 由于這 2 方面獨特的原因， ZPO2 一直作為涂層研究內容的重點之一。
對 ZPO2 材料涂層的研究， 大致經歷了 3 個明顯的歷史階段： 20 世紀六七十年代， 隨著熱障涂層在 X - 15 火噴嘴上和渦汽輪機上的成功應用，推動了 MgO，CaO，Y2O3 穩定 ZrO2 涂層材料的實用化研究；20 世紀 80 年代，國內外對 ZrO2 涂層研究相對達到一個高峰期，大量的研究結果表明： Y2O3（質量分數為 6% ~ 8%）穩定 ZPO2 材料其抗熱震性能優越。 而 CaO， MgO 穩定的 ZPO2 材料， 在熱障涂層領域的應用逐漸減少。 從 20 世紀末開始，隨著納米理論和納米粉體制備技術的成熟， 納米ZrO2 涂層的制備已經逐漸成為研究的重點。
1 ZPO2 熱障涂層結構和性能的研究
1.1 ZPO2 涂層結構的研究進展
典型的熱障涂層結構是 2 層型： 在基質以上是結合層和表面 ZrO2 涂層。 結合層， 用于緩解基質材料和表面涂層之間較大的線脹系數差異， 現在最常用的結合層材料為 MNiCrAl 合金組元形（M 指 CO，Fe，Y 等）， 其特點是線脹系數可以很好地與基質金屬和陶瓷涂層相匹配， 從而實現緩解熱應力造成的涂層脫落。 這種表面涂層結構的優點是制備方便，工藝簡單，而且往往在結合層與表面 ZrO2 涂層之間會形成一層氧化物膜， 通常是A12O3 和 Cr2O3， 它可以防止外界有害氣體的進一步往里擴散， 從而延長了涂層的壽命。 針對雙層型各涂層的功能分析， 又出現了多層熱障涂層結構： 這種涂層結構是由三， 四層不同功能層構成。
一般是結合層、陶瓷和金屬的混合層、抗氧化層，最后為陶瓷層。陶瓷和金屬的混合層是為了減少陶瓷和金屬基質之間的熱膨脹差異，抗氧化層是為了防止外界氣體向基質擴散而產生涂層的失效。但該涂層結構的制造工藝復雜，控制因素較多，因而較難實現。目前，研究最多的是 ZrO2 梯度涂層， 它是由不同比例的結合層金屬和表面ZrO2涂層材料組成多層系統， 使結合金屬和 ZrO2陶瓷材料的成分在各層中呈現梯度變化， 從而減緩表面涂層和基質金屬之間的熱失配， 改善 ZrO2涂層的抗熱震性。
可以說，對于涂層結構的研究，主要針對涂層材料和基質金屬之間的結合程度而開展的，所有涂層結構的研究和發展，也一直是圍繞這個中心問題開展的，由此開展了多種新技術制備 ZrO2 涂層的方法。