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氧化锆陶瓷制备及其应用
黄 勇,何锦涛,马 天
(清华大学材料科学与工程系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京100084)
摘 要:本文介绍了氧化锆的基本性质、氧化锆超细粉体的制备方法、高性能氧化锆陶瓷材
料的成型工艺以及其在各领域的应用情况。
关键词:氧化锆;高性能陶瓷;制备;应用
1 引言
锆在地壳中的储量超过 Cu、Zn 、Sn、Ni 等金属的储量,资源丰富。世界上已探明的锆
资源约为 1900 万吨(以金属锆计),矿石品种约有20 种,主要含有如下几种化合物:
(1)二氧化锆(单斜锆及其各种变体);
(2 )正硅酸锆(锆英石及其各种变体);
(3 )锆硅酸钠、钙、铁等化合物(异性石、负异性石、锆钻石)。
异性石和负异性石矿中含锆量非常低,无工业价值,因而锆的主要来源为单斜锆矿和锆
英石矿,其中以锆英石矿分布最广[1] 。
纯 ZrO 为白色,含杂质时呈黄色或灰色,一般含有 HfO ,不易分离。单斜 ZrO 密度
2 2 2
3
5.6g/cm ,熔点2715 ℃。
ZrO2 具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性
质。上个世纪二十年代开始就被用来作为熔化玻璃、冶炼钢铁等的耐火材料,从上个世纪七
十年代以来,随着对ZrO2 有了更深刻的了解,人们进一步研究开发 ZrO2 作为结构材料和功
能材料。1975 年澳大利亚 R .G .Garvie 以CaO 为稳定剂制得部分稳定氧化锆陶瓷(Ca-PSZ ),
并首次利用 ZrO2 马氏体相变的增韧效应提高了韧性和强度,极大的扩展了 ZrO2 在结构陶瓷
领域的应用[2] 。1973 年美国 R .Zechnall, G .Baumarm ,H .Fisele 制得 ZrO2 电解质氧传
感器,此传感器能正确显示汽车发动机的空气、燃料比,1980 年把它应用于钢铁工业。1982
年日本绝缘子公司和美国 Cummins 发动机公司共同开发出ZrO2 节能柴油机缸套。自此,ZrO2
[3]
高性能陶瓷的研究和开发获得了许多进展 。
2 ZrO2 晶型转化和稳定化处理
在常压下纯 ZrO 共有三种晶态:单斜 (Monoclinic )氧化锆 (m-ZrO )、四方(Tetragonal )
2 2
氧化锆 (t-ZrO )和立方 (Cubic )氧化锆 (c-ZrO ),上述三种晶型存在于不同的温度范围,
2 2
并可以相互转化[4] :
1170℃ 2370 ℃
m- ZrO2 t- ZrO2 c- ZrO2
950℃ 2370 ℃
ZrO2 四方相与单斜相之间的转变是马氏体相变,由于四方相转变为单斜相时有3~5%的
体积膨胀和 7~8% 的切应变。因此,纯 ZrO2 制品往往在生产过程 (从高温到室温的冷却过程)
中会发生t-ZrO2 转变为 m-ZrO2 的相变并伴随着体积变化而产生裂纹,甚至碎裂,因此无多
大的工程价值。但是,当加入适当的稳定剂(如Y O ,MgO ,CaO,CeO 等)后,可以降低 c-ZrO
2 3 2 2 2
1
→t-ZrO 与 t-ZrO → m-ZrO 的相变温度,使高温稳定的 c-ZrO 和 t-ZrO 相也能在室温下稳
2
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