氧化锆陶瓷制备及其应用.pdfVIP

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