氧化锆陶瓷制备及其应用.pdfVIP

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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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