二氧化锆陶瓷
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二氧化锆陶瓷
一、概述
• 二氧化锆（ZrO2）陶瓷又称为氧化锆陶瓷，是 一种新型陶瓷材料。 • 颜色：白色（高纯ZrO2）； 黄色或灰色（含 少量杂质HfO₂）。 • 化学性质不活泼，且硬度次于金刚石。
• 是耐火材料、高温结构材料、生物材料和电子 材料的重要原料。
• 锆在地壳中的储量超过 Cu、Zn、Sn、Ni 等金属 的储量，资源丰富。 • 含锆矿石：斜锆石（ZrO2)，锆英石(ZrO2 ·SiO2)。
中科院15年研发的5千瓦级SOFC
•
SOFC优点
• 可以获得超过60%效率的高效发电；
• 对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情 况下运行；
• 不需要使用贵金属催化剂； • 使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题； • 积木性强，规模和安装地点灵活； • 对环境友好，是21世纪的绿色能源。
•
部分稳定氧化锆陶瓷(PSZ)
稳定剂
c-ZrO2大晶粒
适宜温度
t-ZrO2小晶粒
t相
c 相
• 形成t、c双相组织结构。 • 可保存到室温。 • 在外力下会诱发 t 相到 m 相的马氏体相变并 伴随体积膨胀。耗散部分能量，抵消了部分外 力从而起到增韧作用，称为应力诱导相变增韧。 • 具有优良的高温热稳定性、低热导率、高强度 和韧性等优良的性能。
二、ZrO2的晶型
在常压下共有单斜、四方和立方三种晶态。 上述三种晶型存在于不同的温度范围，并可以 相互转化：
1170 ℃ 2370 ℃
m-ZrO2
ຫໍສະໝຸດ Baidud =
5.65
t-ZrO2
6.10
c-ZrO2
6.27 g/cm 3
三、氧化锆陶瓷分类
部分稳定氧化锆陶瓷(PSZ) 氧化锆陶瓷 四方氧化锆多晶体陶瓷(TZP) 氧化锆(相变）增韧陶瓷(ZTC)
•
氧化锆(相变）增韧陶瓷(ZTC)
• 在不同陶瓷基体中加入一定量的 ZrO2 并使亚稳 态TZP均匀地分布在陶瓷基体中，利用氧化锆相变 增韧机制使陶瓷的韧性得到明显的改善。 • 具有优良的力学性能、低的导热系数和良好的抗 热震性。
四、氧化锆陶瓷在燃料电池上的应用
ZrO2 在功能陶瓷领 域的一个重要用途 是利用ZrO2作为固 体电解质来研制第 三代燃料电池—— 固体氧化物燃料电 池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)。
•
SOFC工作原理
它由用氧化钇稳定的氧化锆 （YSZ）陶瓷给氧离子通电 的电解质和由多孔质给电子 通电的燃料和空气极构成。 空气中的氧在空气极/电解 质界面被氧化，在空气与燃 料之间氧的分压差作用下， 在电解质中向燃料极一侧移 动，并在燃料极电解质界面 和燃料中的氢或一氧化碳反 应，生成水蒸气或二氧化碳， 放出电子。电子通过外部回 路，再次返回空气极，此时 产生电能。
氧化锆陶瓷餐具
•
四方氧化锆多晶体陶瓷(TZP)
• 当稳定剂加入量控制在适当量时可以使 t-ZrO2 以亚稳状态稳定保存到室温。 • 在外力作用下可使 t-ZrO2 发生相变，增韧不可 相变的 ZrO2 基体，使陶瓷整体的断裂韧性改善。 • 具有高强、高韧性、高耐磨等优良的机械性能。
Y-TZP磨球
一、概述
• 二氧化锆（ZrO2）陶瓷又称为氧化锆陶瓷，是 一种新型陶瓷材料。 • 颜色：白色（高纯ZrO2）； 黄色或灰色（含 少量杂质HfO₂）。 • 化学性质不活泼，且硬度次于金刚石。
• 是耐火材料、高温结构材料、生物材料和电子 材料的重要原料。
• 锆在地壳中的储量超过 Cu、Zn、Sn、Ni 等金属 的储量，资源丰富。 • 含锆矿石：斜锆石（ZrO2)，锆英石(ZrO2 ·SiO2)。
中科院15年研发的5千瓦级SOFC
•
SOFC优点
• 可以获得超过60%效率的高效发电；
• 对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情 况下运行；
• 不需要使用贵金属催化剂； • 使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题； • 积木性强，规模和安装地点灵活； • 对环境友好，是21世纪的绿色能源。
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部分稳定氧化锆陶瓷(PSZ)
稳定剂
c-ZrO2大晶粒
适宜温度
t-ZrO2小晶粒
t相
c 相
• 形成t、c双相组织结构。 • 可保存到室温。 • 在外力下会诱发 t 相到 m 相的马氏体相变并 伴随体积膨胀。耗散部分能量，抵消了部分外 力从而起到增韧作用，称为应力诱导相变增韧。 • 具有优良的高温热稳定性、低热导率、高强度 和韧性等优良的性能。
二、ZrO2的晶型
在常压下共有单斜、四方和立方三种晶态。 上述三种晶型存在于不同的温度范围，并可以 相互转化：
1170 ℃ 2370 ℃
m-ZrO2
ຫໍສະໝຸດ Baidud =
5.65
t-ZrO2
6.10
c-ZrO2
6.27 g/cm 3
三、氧化锆陶瓷分类
部分稳定氧化锆陶瓷(PSZ) 氧化锆陶瓷 四方氧化锆多晶体陶瓷(TZP) 氧化锆(相变）增韧陶瓷(ZTC)
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氧化锆(相变）增韧陶瓷(ZTC)
• 在不同陶瓷基体中加入一定量的 ZrO2 并使亚稳 态TZP均匀地分布在陶瓷基体中，利用氧化锆相变 增韧机制使陶瓷的韧性得到明显的改善。 • 具有优良的力学性能、低的导热系数和良好的抗 热震性。
四、氧化锆陶瓷在燃料电池上的应用
ZrO2 在功能陶瓷领 域的一个重要用途 是利用ZrO2作为固 体电解质来研制第 三代燃料电池—— 固体氧化物燃料电 池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)。
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SOFC工作原理
它由用氧化钇稳定的氧化锆 （YSZ）陶瓷给氧离子通电 的电解质和由多孔质给电子 通电的燃料和空气极构成。 空气中的氧在空气极/电解 质界面被氧化，在空气与燃 料之间氧的分压差作用下， 在电解质中向燃料极一侧移 动，并在燃料极电解质界面 和燃料中的氢或一氧化碳反 应，生成水蒸气或二氧化碳， 放出电子。电子通过外部回 路，再次返回空气极，此时 产生电能。
氧化锆陶瓷餐具
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四方氧化锆多晶体陶瓷(TZP)
• 当稳定剂加入量控制在适当量时可以使 t-ZrO2 以亚稳状态稳定保存到室温。 • 在外力作用下可使 t-ZrO2 发生相变，增韧不可 相变的 ZrO2 基体，使陶瓷整体的断裂韧性改善。 • 具有高强、高韧性、高耐磨等优良的机械性能。
Y-TZP磨球