掺杂氧化锆稳定化的研究
二氧化锆的稳定化及其应用
二氧化锆的稳定化及其应用二氧化锆，化学式为ZrO2，是一种具有高硬度、高熔点、耐腐蚀等多重优点的无机非金属材料。
其在工业生产中，常作为催化剂、载体、陶瓷增韧剂等使用。
而在环保领域，二氧化锆则可用于空气净化、污水处理等方面。
要使二氧化锆更好地发挥作用，必须对其进行稳定化处理。
二氧化锆的稳定化主要从热力学、动力学和结构三个方面入手。
热力学稳定性主要是指二氧化锆在高温下的稳定性，通过控制烧成温度和气氛实现；动力学稳定性则二氧化锆在反应过程中的稳定性，通过优化工艺条件来提高；结构稳定性是指二氧化锆在受力情况下的稳定性，通过添加增强相来提高。
在具体应用方面，二氧化锆的表现可圈可点。
在空气净化领域，二氧化锆可以作为催化剂，将有害气体分解为无害物质。
在污水处理领域，二氧化锆可以作为滤料，有效去除水中的有害物质。
在药物合成领域，二氧化锆可以作为载体，提高药物的稳定性和疗效。
在食品加工领域，二氧化锆则可以作为增韧剂，提高食品的口感和韧性。
二氧化锆的稳定化及其应用具有巨大的潜力和前景。
随着科技的不断发展，相信未来二氧化锆会在更多领域展现其独特的优势。
让我们期待二氧化锆在未来的更多精彩表现。
二氧化锆（ZrO2）是一种白色的无机化合物，具有高熔点、高硬度、高化学稳定性等特性。
它在许多领域都有广泛的应用，如陶瓷、催化剂、超级电容器等。
二氧化锆的物理性质包括高熔点（2600°C）、高硬度（莫氏硬度5）、优良的化学稳定性以及良好的电绝缘性能。
二氧化锆在高温下可以与许多化学物质反应，因此在高温化学反应中可以作为耐火材料。
在用途上，二氧化锆主要用于陶瓷和催化剂领域。
在陶瓷领域，二氧化锆可以用来制造高强度、高硬度的陶瓷材料，还可以作为增韧剂和添加剂，以提高陶瓷的韧性和耐冲击性能。
二氧化锆还可以用作催化剂，特别是在石油化工和有机合成领域中，二氧化锆可以作为催化剂载体和催化剂活性成分，具有优异的催化性能和稳定性。
除了以上用途，二氧化锆还可以作为超级电容器。
氧化锆制备技术的研究现状与进展
氧化锆制备技术的研究现状与进展张铭媛1, 2，康娟雪1, 2，普婧1, 2，黄秀兰1, 2，段利平1, 2，彭金辉1, 2, 3，陈菓1, 2, 3, *（1.云南省高校民族地区资源清洁转化重点实验室，云南民族大学，云南昆明650500；2.云南省跨境民族地区生物质资源清洁利用国际联合研究中心，云南民族大学，云南昆明650500；3. 非常规冶金教育部重点实验室，昆明理工大学，云南昆明650093）摘要：氧化锆被广泛用作高温、负载及侵蚀性介质条件下的抗磨损结构构件，对工业生产具有重要意义。
现今生产氧化锆的稳定化制备工艺较多，现对几种常见的制备氧化锆的生产技术进行了介绍，并分析了这些制备技术的优势，化学法制备出的氧化锆粒径分布均匀且方法简单易行。
溶胶-凝胶法生产的氧化锆粒径小、单分散性能优异。
水热法生产出的氧化锆粒径小、纯度高。
电熔法生产的氧化锆杂质含量低，致密度高且生产工艺简单。
微波热处理制备的氧化锆反应时间短、升温速率快、能耗小。
氧化锆的多种制备工艺技术使得其性能应用更加的多样化。
关键词:氧化锆；化学法；溶胶-凝胶法；水热法；电熔法；微波热处理中图分类号：TF841.4文献标识码：A 文章编号：Research status and progress of zirconia preparationtechnologyZHANG Mingyuan 1, 2, KANG Juanxue 1, 2, PU Jing 1, 2, HUANG Xiulan 1, 2,DUAN Liping 1, 2, CHEN Guo 1, 2, 3, *(1. Key Laboratory of Resource Clean Conversion in Ethnic Regions, Education Departmentof Yunnan, Yunnan Minzu University, Kunming Yunnan, 650500, China;2. Joint Research Centre for International Cross-border Ethnic Regions Biomass Clean Utilizationin Yunnan, Yunnan Minzu University, Kunming Yunnan, 650500, China; 3. Key Laboratory of Unconventional Metallurgy, Ministry of Education, Kunming University of Science and Technology,Kunming Yunnan, 650093, China)Abstract:Zirconia was widely used as an anti-wear structural element under high temperature, load and aggressive media conditions and was of great importance to industrial manufacture. The current manufacture of zirconia was more stabilization of the preparation process, several common preparation of zirconia manufacture technology were introduced and analyzed the advantages of these preparation techniques, the zirconium oxide prepared by chemical method uniform particle size distribution and the method was simple and easy to do. Sol-gel method to produce fine powder particles, monodisperse excellent stability of zirconia powder. Hydrothermal production of zirconium oxide was small particle size, high purity. Fused zirconium oxide produced by low content of impurities, high density and production process was simple. Zirconia prepared by microwave heat treatment has short reaction time, fast heating rate and low energy consumption. The various preparation technology of zirconia makes its application more diversified.Keywords:zirconia; chemical method; sol-gel method; hydrothermal method; electrofusion; microwave heat treatment1前言氧化锆（ZrO2）是一种耐高温、耐腐蚀、高硬度的一种材料。
氧化锆陶瓷 钇稳定氧化锆
氧化锆陶瓷钇稳定氧化锆钇稳定氧化锆（Yttria-Stabilized Zirconia，YSZ）是一种重要的氧化锆陶瓷材料。
它由氧化锆（ZrO2）和钇氧化物（Y2O3）按一定比例混合制备而成。
氧化锆陶瓷具有很高的熔点、硬度和化学稳定性，而钇稳定氧化锆则在这些性质的基础上还具有更好的稳定性和导电性能。
钇稳定氧化锆的稳定性来源于钇氧化物的引入。
钇氧化物在氧化锆晶格中形成固溶体，使晶格结构更稳定。
这种稳定性使得钇稳定氧化锆具有较高的抗热震性能和热循环稳定性，能够在高温下长时间使用而不发生晶格破坏。
此外，钇稳定氧化锆还具有优异的化学稳定性，能够耐受强酸、强碱等腐蚀介质的侵蚀。
钇稳定氧化锆的导电性能使其在固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）等高温电化学器件中得到广泛应用。
由于其晶格中的钇离子部分取代了氧化锆晶格的氧离子，导致氧离子缺陷的形成。
这种氧离子缺陷会导致氧离子在晶体中的迁移，从而产生离子导电性。
钇稳定氧化锆的高离子导电性使得其成为固体氧化物燃料电池中的电解质材料，能够在高温下将化学能转化为电能。
除了在高温电化学器件中的应用外，钇稳定氧化锆还广泛用于热障涂层、传感器、陶瓷刀具等领域。
其高熔点和热稳定性使其成为热障涂层材料的理想选择，能够在高温环境下提供有效的隔热保护。
在传感器中，钇稳定氧化锆的导电性能能够被用来检测气体成分、温度等参数变化。
此外，钇稳定氧化锆的高硬度和耐磨性使其成为陶瓷刀具的重要原料，能够在切割、磨削等应用中提供优异的切割效果和耐用性。
钇稳定氧化锆的制备方法有多种，常见的包括固相烧结法、溶胶-凝胶法、等离子体喷涂法等。
其中，固相烧结法是最常用的制备方法之一。
这种方法首先将氧化锆和钇氧化物粉体按一定比例混合，然后通过高温烧结使粉体颗粒结合成致密块体。
溶胶-凝胶法则是通过溶胶-凝胶反应制备钇稳定氧化锆。
这种方法可以得到纯度较高、孔隙度较低的材料。
等离子体喷涂法则是将粉体材料通过等离子体喷涂技术喷涂到基底上，形成涂层。
钇稳定氧化锆钇含量
钇稳定氧化锆钇含量1.引言概述部分的内容可以如下所示：1.1 概述钇稳定氧化锆（YSZ）是一种常用的聚合物材料，具有优异的化学稳定性、热稳定性和机械性能。
它是由氧化锆和少量的钇混合而成，在高温下具有良好的稳定性和导电性能。
由于其出色的特性，YSZ被广泛应用于各种领域，包括固体氧化物燃料电池、高温电解池、热障涂层、陶瓷薄膜等。
本文将重点讨论钇稳定氧化锆中钇含量对其性能的影响。
钇含量作为YSZ的重要参数之一，对其微观结构和宏观性能具有关键影响。
本文将通过实验研究和文献综述，探讨不同钇含量下YSZ的晶体结构、导电性能、热膨胀系数以及化学稳定性等方面的变化。
同时，也将对钇含量对YSZ在不同应用领域中的适用性进行评估和展望。
通过对钇稳定氧化锆钇含量的研究，我们可以更加深入地了解YSZ的结构与性能之间的关系，为其在不同领域的应用提供理论指导和技术支持。
本文的研究成果将有助于优化YSZ的配方设计，提高其性能和稳定性，促进YSZ在能源、材料科学等领域的发展和应用。
通过本文，读者将能够了解钇稳定氧化锆钇含量的重要性以及其对YSZ性能的影响，为进一步研究和应用提供参考。
接下来的章节将围绕YSZ 的定义和性质以及钇含量对其性能的影响展开讨论，以期为读者提供全面的了解和深入的分析。
1.2文章结构文章结构部分应该包括对整篇文章的大致框架进行介绍。
以下是一个可能的编写内容：在本文中，我们将对钇稳定氧化锆中钇含量的研究进行探讨和分析。
首先，我们会在引言部分对文章的背景和意义进行介绍。
然后，在正文部分，我们将首先对钇稳定氧化锆的定义和性质进行详细阐述，包括其化学组成、晶体结构和物理性质等方面的内容。
接下来，我们将重点关注钇含量对钇稳定氧化锆性能的影响，包括对其热稳定性、导电性和机械强度等方面进行分析和讨论。
最后，在结论部分，我们将强调钇稳定氧化锆中钇含量的重要性，并展望其在未来的发展和应用前景。
通过本文的研究，我们将深入了解钇稳定氧化锆中钇含量对其性能的影响，为相关领域的研究和应用提供理论指导和实践基础。
氧空位对氧化锆相结构稳定性及相变过程的影响
氧空位对氧化锆相结构稳定性及相变过程的影响《氧空位对氧化锆相结构稳定性及相变过程的影响》是一个重要的课题，它具有重要的理论意义和实际应用价值。
氧空位是物理化学反应中的重要参数，在大多数合金材料中都存在，如氧化锆中有大量的氧空位。
氧空位对材料结构、性能和使用寿命具有重要影响，因此，在研究氧化锆的相结构和相变过程中，探究氧空位的影响就显得格外重要。
一、空位对氧化锆结构稳定性的影响氧空位是晶格中的一种不参与化学反应的物理空位，一般是由物质构成的晶格中的氧元素缺失所形成。
氧化锆可以由晶体结构分析算法得到，通过X射线衍射实验回算晶体尺寸和晶体构型，也可以确定晶体中的氧空位种类和数量。
在实验室条件下，氧空位会使氧化锆的晶体构型发生变化，给晶体的稳定性带来不利的影响。
氧空位可以分为空位游离态和非游离态，即未受限制的氧空位和受限制的氧空位。
非游离态氧空位会使氧化锆晶体形成缺陷，破坏晶体结构的稳定性，使得氧化锆的晶体玻璃性能下降，给表面粗糙度和硬度增大带来不利影响，并且出现磨损的现象。
游离态氧空位则会改变晶体结构，促进晶体的饱和度，从而使晶体结构更加稳定，拓宽氧化锆晶体材料的应用范围，使材料能够应用于多种场合。
二、空位对氧化锆相变过程的影响氧空位也是氧化锆晶体相变过程中重要的因素，氧空位可以改变晶体结构，加速或减缓晶体结构的变化，并可能导致晶体结构的不同稳定相之间的相变。
对氧化锆晶体而言，氧空位的影响是明显的，加入的氧空位可以明显改变晶体相变温度，减小晶体结构形成的能量，缩短晶体结构形成的时间，改变晶体的稳定性，基于此，温度变化明显地影响着氧化锆晶体结构的形成。
三、结论氧空位对氧化锆晶体性能及相变过程具有重要影响，通过控制氧空位含量，可以有效地改变氧化锆晶体结构，从而改变晶体性能和晶格形状，拓宽氧化锆晶体材料的应用范围。
因此，深入研究氧空位对氧化锆晶体结构稳定性及相变过程的影响特别重要，它将为氧化锆晶体材料的应用提供参考。
【精品文章】简析氧化锆晶型及其稳定化处理
6-30 热膨胀系数/10-6K-1 906-10.4 - 热导率/4.186W·cm-1·K-1 2-3.3 - 参考资料： 1、先进结构陶瓷及其复合材料，尹衍升等著 2、ZrO2 陶瓷结构及增韧机理研究，武丽华等著 备注： 马氏体定义：马氏体是原子经无需扩散的集体协同位移的晶格改组过 程，得到的具有严格晶体学关系和惯习面的，形成相中伴生极高密度位 错，或层错或精细孪晶等晶体缺陷的整合组织。 马氏体相变：原子经无需扩散的集体协同位移，晶型晶格改组，得到高 密度位错等亚结构的马氏体组织，这种形核-长大的一级相变，成为马氏体 相变。 tips:感谢大家的阅读，本文由我司收集整编。仅供参阅！
ZrO2 相作为增韧相分散到其它陶瓷基体，如 ZTA。 其中 TZP 是 ZTC 材料中室温力学性能最高的一种材料，其力学性能见下 表 2 所述。TZP 中又以 Y2O3 作为稳定剂的 Y-TZP 应用最为广泛。稳定剂 Y2O3 的含量在 1.75%-3.5% （摩尔分数）范围变化。典型的 TZP 材料微观 结构为粒径为 0.5-2μm 的等轴晶组成的均匀组织。当原料中含有异类组分 （SiO2）时，在界面上往往存在由异类组分和 Y2O3 组成的玻璃相。 项 目 Y-TZP Ce-TZP 稳定剂/%（摩尔分数） 2-3 12-15 显微硬度/GPa 10-12 7-10 杨氏模量/GPa 140-200 140-200 抗弯强度/MPa 800-1300 500-800 断裂韧性/MPa·m1/2 6-15
简析氧化锆晶型及其稳定化处理
对于陶瓷材料而言，其晶型结构与其物化性质及应用有着很大关系。 因此，本文将为大家简单剖析氧化锆的晶型结构。 1、氧化锆晶型有三种 纯的氧化锆在常压下有三种晶型：从低温到高温依次为单斜、四方和立 方。其密度分别为：单斜型 5.65g/cm3，四方型 6.10g/cm3，立方型 6.27g/cm3。 具体温度、密度与晶型的关系见下图 1。可见温度越高，密度越大。因 此，在同样质量下，温度越低，体积越大。 图 1 氧化锆晶型及转换温度与相应密度 下图为氧化锆的三种晶型图示，从左到右分别是：a 立方晶；b 四方晶； c 单斜晶。具体晶格常数详见本文下方备注参考文献。 图 2 氧化锆的三种晶型及相应的空间群 2、氧化锆的稳定化处理 当 ZrO2 从高温冷却到室温要经历 c→t→m 的同质异构转变，其中由 t-m 相变过程要产生约 7%的体积膨胀，加热至 1170℃时 m-ZrO2 转变为 tZrO2，这种转变过程则发生体积收缩，这种 t 相和 m 相之间的相变称为 ZrO2 的马氏体相变，马氏体相变时发生的体积变化，使得 ZrO2 的增韧效 果得以实现。氧化锆的热膨胀曲线及差热曲线见下图 3 所示。 图 3ZrO2 的热膨胀曲线及 ZrO2 的差热曲线 在正常压力温度之下，二氧化锆的稳定晶体为单斜晶体，而 ZrO2 由单斜 相向四方相的晶型的转变有 7%-9%的体积变化，所以未经稳定化处理的
磷酸锆掺杂氧化锆陶瓷的作用
磷酸锆掺杂氧化锆陶瓷的作用
磷酸锆（ZrP）掺杂氧化锆（ZrO2）陶瓷的作用包括：
1. 提高氧化锆陶瓷的机械性能：磷酸锆的掺杂可以增加氧化锆陶瓷的硬度、强度和断裂韧性，从而提高材料的抗弯、抗压和抗磨损能力。
2. 提高氧化锆陶瓷的热稳定性：磷酸锆的存在可以增加氧化锆陶瓷的热膨胀系数，与金属接触时能够形成更好的热收缩匹配，减少因热应力引起的开裂。
3. 提高氧化锆陶瓷的生物相容性：磷酸锆的掺杂可以提高氧化锆陶瓷的生物相容性，降低材料的毒性和刺激性，使其更适合用于医学领域，如人工关节、牙科修复等。
4. 提高氧化锆陶瓷的导电性：磷酸锆的掺杂能够增加氧化锆陶瓷的电导率，提高材料的导电性能，使其在电子器件领域有更广泛的应用。
总的来说，磷酸锆的掺杂可以改善氧化锆陶瓷的力学性能、热稳定性、生物相容性和导电性能，扩展了其在不同领域的应用范围。
氧化钇稳定氧化锆原理
氧化钇稳定氧化锆原理
氧化钇稳定氧化锆（YSZ）是一种重要的功能陶瓷材料，具有优
异的热力学、电学和机械性能，因此在固体氧化物燃料电池、电解质、热障涂层、传感器等领域有着广泛的应用。
在这篇文档中，我
们将着重介绍氧化钇稳定氧化锆的原理及其相关特性。
首先，氧化钇稳定氧化锆的稳定性主要来自于其晶体结构。
氧
化锆晶体结构具有高度的阶段稳定性，而氧化钇的掺杂能够有效地
抑制氧化锆的相变，使其在高温下仍能保持稳定的立方相结构。
这
种稳定性使得氧化钇稳定氧化锆具有优异的离子传导性能和化学稳
定性，从而使其成为固体氧化物燃料电池和电解质材料的理想选择。
其次，氧化钇稳定氧化锆的离子传导性能是其重要特性之一。
由于氧化钇的掺杂可以引入氧空位，提高氧离子在晶格中的迁移率，使得氧化钇稳定氧化锆具有较高的氧离子传导性能。
这种离子传导
性能对于固体氧化物燃料电池和电解质材料至关重要，能够有效地
提高其电化学性能和稳定性。
此外，氧化钇稳定氧化锆还具有优异的机械性能和热膨胀性能。
由于氧化钇的掺杂能够有效地调控晶格参数，降低晶体的热膨胀系
数，使得氧化钇稳定氧化锆在高温下具有良好的热稳定性和热震稳定性。
这种特性使得氧化钇稳定氧化锆广泛应用于热障涂层和高温结构材料中。
总的来说，氧化钇稳定氧化锆作为一种重要的功能陶瓷材料，具有优异的热力学、电学和机械性能，其稳定性、离子传导性能和热膨胀性能使其在固体氧化物燃料电池、电解质、热障涂层、传感器等领域有着广泛的应用前景。
希望通过本文的介绍，能够更好地了解氧化钇稳定氧化锆的原理及其相关特性，为其在材料科学和工程领域的进一步研究和应用提供参考。
氧化钇稳定氧化锆的晶体结构
氧化钇稳定氧化锆的晶体结构
氧化钇稳定氧化锆（YSZ）是一种重要的功能陶瓷材料，具有优异的热稳定性
和化学惰性。
其晶体结构对其性能具有明显的影响。
氧化锆具有非常高的熔点，良好的抗热震性和化学稳定性，但在高温下容易发
生相变，导致晶体结构的不稳定性。
然而，通过向氧化锆中掺杂少量的氧化钇，可以显著提高氧化锆的晶体结构稳定性。
氧化钇掺杂的氧化锆晶体结构主要由四面体氧化锆和八面体氧化钇组成。
通过
氧化钇的掺杂，氧化锆的晶格结构得到了调整，使得晶体结构更加稳定。
这种晶体结构稳定性的改善使得氧化钇稳定氧化锆在高温氧化还原环境下具有出色的性能，如较低的热膨胀系数、较高的热导率和良好的机械强度。
氧化钇稳定氧化锆的晶体结构也对其离子传导性能产生影响。
晶格结构的稳定
性使得氧化钇稳定氧化锆成为一种优良的离子导体材料，主要用于固体氧化物燃料电池和液相氧化物膜层制备等领域。
其高离子导电性能使得氧化锆在高温下能快速传输氧离子，为高温电化学设备的稳定运行提供了关键支持。
综上所述，氧化钇稳定氧化锆的晶体结构具有重要的意义。
通过氧化钇的掺杂，能够调整晶体结构，改善晶体的热稳定性和化学稳定性。
这种结构稳定性的改善使得氧化钇稳定氧化锆在高温环境下表现出优异的性能，特别适用于高温电化学设备和离子传导材料等领域。
氧化锆材料的研究现状
氧化锆材料的研究与制备1.1前言：纯的氧化锆是一种高级耐火原料，其熔融温度约为2900℃它可提高釉的高温粘度和扩大粘度变化的温度范围，有较好的热稳定性，其含量为2％-3％时，能提高釉的抗龟裂性能。
还因它的化学惰性大，故能提高釉的化学稳定性和耐酸碱能力，还能起到乳浊剂的作用。
氧化锆材料具有高硬度，高强度，高韧性，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等等优良的物化性能，氧化锆在陶瓷方面有较大的应用与研究潜力空间。
2.1 氧化锆的相变众所周知，氧化锆是一个多相体系，受温度的影响历经三个相系：单斜、四方和立方．但又是可逆的相转变过程，常温下只是单斜相氧化锫。
不同相结构的ZrO2的膨胀性能差异很大。
单斜ZrO2向四方ZrO2转化时，发生各向异性膨胀，沿三个轴(a、b、c)膨胀系数是不一致的，沿b轴方向膨胀不明显，而沿a、c轴方向膨胀显著；转化时，晶格参数也随着变化，升温时ZrO2由单斜向四方转化，由于吸收热量，有明显的体积收缩(5％)，而降温时(四方向单斜转化)产生体积膨胀(8％)，这是造成Z码陶瓷的龟裂的原因。
ZrO2由单斜开始向四方相转化，转化温度通常在1100～1200℃之间(1163℃)。
但在冷却时，t—ZrO2转变为m—ZrO2时由于m—ZrO2新相晶核形成困难，因而转变温度在850～1000℃之间(930℃)。
说明ZrO2在930—1170℃之间晶相转变时会出现温度滞后现象。
2：氧化锆复合体的固溶性能和稳定化的作用研究表明，在ZrO2中添加某些氧化物作为稳定剂(Y203、CaO、Al2O3、Ce02、MgO、Sc203等)，这些氧化物能与ZrO2形成固溶体或复合体，可改变晶体内部结构；添加的氧化物可填充ZrO2中晶格缺陷，抑制ZrO2扭转，起到稳定的作用，在常温形成亚稳的四方相或立方相，使由单一的单斜相变成了双晶结构的四方和立方相。
添加阳离子半径与Zr4+相近(相差在12％以内)、性质相似，它们在ZrO2中的溶解度很大，可以和ZrO2形成单斜、四方和立方等晶型结构的置换性固溶体。
氧化铈增韧氧化锆陶瓷的研究
氧化铈增韧氧化锆陶瓷的研究摘要：本文叙述了氧化锆陶瓷的增韧机制，以氧化铈为稳定剂，论述不同实验中铈掺杂氧化锆的性能研究。
结果表明，氧化铈对四方相氧化锆具有稳定作用。
本文采用不同实验方法，研究了反应温度、氧化铈的含量、PH、烧结工艺等对铈掺杂氧化锆陶瓷粉体的影响，并分析了氧化铈氧化锆陶瓷的力学性能，对铈掺杂氧化锆陶瓷的应用前景作了简要概述。
关键词：氧化铈；氧化锆；增韧机制；稳定作用1 引言近年来，利用稀土氧化物—氧化铈对氧化锆的稳定作用实现对陶瓷材料的研究渐趋活跃。
由于ZrO2具有熔点和沸点高、硬度大，常温下为绝缘体，而高温下为导体等优良性质，固此，从20世纪20年代开始就被用做熔化玻璃和冶炼钢铁等的耐火材料。
随着人们对ZrO2了解的加深，20世纪70年代开始就被用作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的氧化锆陶瓷（Ca—PSZ），并首次利用ZrO2马氏体相变的增韧效应，提高了其韧性和强度，极大的扩展了ZrO2马氏体相变的增韧效应，提高了其韧性和强度，极大的扩展了ZrO2在结构陶瓷领域的研究。
纯ZrO2在不同温度区间具有单斜（Monoclinic ）、四方（Tetragonal ）、立方(Cubic)三种不同晶型，晶型转化式为：当氧化锆从高温冷却到室温要经历c—t—m的同质异构转变，其中t—m的相变过程要产生3-5%的体积膨胀，体积膨胀效应可导致材料的开裂，所以未经稳定的ZrO2韧性极差，在一般情况下是无法使用的。
要实现相变增韧，必须添加一定的稳定剂，而只有离子半径与Zr4+半径相差不超过40%的氧化物才能作为氧化锆的稳定剂。
氧化铈作为氧化锆的稳定剂，有利于在室温保留尽量多的可相变亚稳四方相氧化锆，并能在较宽的成分范围内获得亚稳四方相氧化锆，从而为氧化锆的相变增韧提供优越的条件。
1998年末松下电器公司宣称与大阪大学科学与工业研究所联合开发了一种采用铈做稳定剂的ZrO2-CeO2复合陶瓷，由于热膨胀系数不同，很难制成纳米复合材料。
锆溶胶的稳定性及氧化锆粉体的特性研究
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：
Ｔｈｅ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｚ ｉ ｒ ｃ ｏｎ ｉ ｕ ｍ ｓ ｏ ｌ ｐｒ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ， ｓ ｔ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎｄ ｐ ｏｗｄ ｅ ｒ ｗｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄｉ ｅ ｄ．Ｗ ｉ ｔ ｈ
布变窄， 胶体 颗粒 带正 电 ， Ｚ ｅ ｔ ａ电 位 提 高 到 ３ ６ ． ７ ｍＶ ， 溶胶 分散 性 良好 ； 正 丙 醇 锆 为 前 驱 体 的
锆 溶胶加 入 聚 乙二 醇后 粒度增 大 ， 分布 变 宽 ， 胶 体 颗 粒电位 点 ，
ｚ ｅ ｔ ａ ｐ ｏ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ，ａ ｎ ｄ ＴＥＭ ． Ｔｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｐ ｒ ｅ ｃ ｕ ｒ ｓ ｏ ｒ ｚ ｉ ｒ ｃ ｏ ｎ ｉ ｕ ｍ ｓ ｏ ｌ ｗａ ｓ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ
测 试 手 段 表 征 了聚 乙二 醇 对 两 种 锆 溶 胶 稳 定 性 的 影 响 ． 使用 Ｆ ＴＩ Ｒ 验证 了不 同前驱 体 锆 溶胶
的水解过 程 并推 断 出其 水解反 应 方程． 采用 Ｔ Ｇ— Ｄ ＴＡ、 Ｘ ＲＤ等 测试 手段 分析 了干 凝胶 的热 分
解过 程 和结构 变化． 研 究结果表 明 ： 氧氯 化锆 为前 驱体 的锆 溶胶 加 入 聚 乙二 醇后 粒 度 减 小 ， 分
～
５ ５ ０℃仍 为四方相 ， 从 ６ ５ ０℃开始 有 少量单斜 相 出现．
文 献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ６ ７ ３ － ９ ９ ６ ５ （ ２ Ｏ １ ５ ） ０ ２ — ０ １ ５ ２ — ０ ６
掺杂氧化锆研究
用氧化锆陶瓷对口腔修复
用氧化锆陶瓷对口腔修复的研究【摘要】作为目前口腔全瓷修复的一类材料，氧化锆陶瓷在化学稳定性、生物相容性、抗弯曲色泽以及强度等方面具有很大的优势。
氧化锆通过相变增韧原理，有很高的抗弯强度和断裂韧性，在常温下氧化锆只有和稳定剂结合才能够达到亚稳态，只有这样才能够增加韧效果。
本文就是讲述氧化锆稳定剂的应用、性能种类等。
【关键词】氧化锆陶瓷口腔修复当前的口腔修复技术在飞速的发展，全瓷材料凭借着自身生物相容性、优良的美学效果、耐腐蚀性、介电性、热稳定性等一系列好的特质，俨然成为在目前使用最广泛的口腔修复材料[1]。
传统的陶瓷材料本身强度不足而且脆性较大，限制了其在口腔的修复中的使用。
而氧化锆很早就以耐火材料在工业上使用。
在1975年gavie发现该材料有马氏相变的特征，这才提出利用该特征来征备高韧性高强度的陶瓷，只有这样才能够使得氧化锆陶瓷应用不断进步[2]，使该材料不断被关注。
但是常温下的氧化锆需要与稳定剂进行结合才能达到这种亚稳态，才能出现相变增韧的效果。
很多国内外的专家学者对氧化锆的稳定剂做了研究。
本文的研究报告如下。
1氧化锆的稳定化1.1氧化锆晶型的转变氧化锆的物理特性为白色粉末状，隶属萤石结构。
其阴离子的直径比阳离子的小。
氧化锆有3种晶型的分型，分别是：四方晶、单斜晶和立方晶。
室温下氧化锆是单斜相，在1170℃的高温下由单斜相变为四方相，在2370℃的高温下由四方相变为立方相。
当在氧化锆加入了稳定剂进行稳定化处理之后，室温下就可以存在四方相氧化锆，而且其处在亚稳态，大家都知道四方相的数量对陶瓷的韧性提高作用非常的明显，所以在常温下使用的时候，氧化锆提高氧化锆陶瓷的韧性是用过相变导致微裂增韧、表面残余力增韧等。
1.2氧化锆稳定剂基于这种增韧机理，对于常温下氧化锆保持亚稳态四方相，稳定剂所起到的作用是非常明显的。
氧化锆稳定剂是与+4价zr离子半径非常相近的一些阳离子，这些离子在通常状态下是以氧化物形式而存在，在氧化锆中这些氧化物的溶解度非常的大。
氧化钇稳定氧化锆原理
氧化钇稳定氧化锆原理氧化钇稳定氧化锆（YSZ）是一种重要的功能陶瓷材料，具有优异的化学稳定性、热稳定性和机械性能，被广泛应用于固体氧化物燃料电池、气体传感器、电解质膜等领域。
其稳定性主要依赖于氧化钇（Y2O3）的添加，下面我们将深入探讨氧化钇稳定氧化锆的原理。
首先，氧化钇的添加可以稳定氧化锆的晶体结构。
纯氧化锆在高温下会发生相变，从立方相转变为四方相，导致晶格体积的变化，从而引起材料的蠕变和热膨胀系数的变化。
而氧化钇的加入可以抑制这种相变，使晶体结构保持稳定，从而提高了材料的热稳定性和机械性能。
其次，氧化钇的添加可以提高氧离子传导性能。
氧化锆本身是一种良好的氧离子导体，而氧化钇的加入可以进一步提高材料的氧离子传导性能，降低氧离子的迁移能垒，促进氧离子在晶格中的传输，从而提高固体氧化物燃料电池的性能。
此外，氧化钇的添加还可以提高氧化锆的化学稳定性。
在高温和极端环境下，氧化锆很容易与一些金属元素发生反应，导致材料的老化和性能下降。
而氧化钇的加入可以形成稳定的固溶体结构，阻碍金属元素的扩散，减少材料与外界环境的反应，提高了材料的化学稳定性。
综上所述，氧化钇稳定氧化锆的原理主要包括稳定晶体结构、提高氧离子传导性能和提高化学稳定性。
通过合理控制氧化钇的添加量和制备工艺，可以有效改善氧化锆的性能，拓展其在能源、传感器等领域的应用。
总的来说，氧化钇稳定氧化锆的原理是一个复杂而又精妙的过程，需要深入的材料学和化学知识来加以理解和掌握。
随着科学技术的不断发展，相信氧化钇稳定氧化锆这一领域将会有更多的突破和创新，为人类社会的发展做出更大的贡献。
纳米级氧化锆功能材料的制备及性能研究
纳米级氧化锆功能材料的制备及性能研究本论文主要以化学控制方法为主要手段,研究制备稳定化纳米氧化锆粉体和复合材料,利用各种有效控制方法和新的合成路线,探讨了其合成和原位分散技术,并进一步探讨了氧化锆做为陶瓷材料的应用性能。
首先,采用新的方法,在液相中以氧氯化锆和硝酸钇作为锆源和钇源,以氢氧化钠水溶液作为沉淀剂和晶化反应的液相环境,合成钇稳定化氧化锆纳米晶体。
讨论了反应过程中,液相中的各种离子、碱度和时间对于反应的影响,并且讨论和计算了,此种反应条件下氧化锆的反应机理和反应的活化能。
接下来,以氧氯化锆和氯化镁作为锆源和镁源,利用此液相晶化方法又成功的制备了镁稳定化纳米氧化锆晶粒粉体,产物经XRD检测为立方相镁稳定化氧化锆。
这种制备方法,避免了传统高温焙烧制备方法中产生的不可避免的纳米晶粒粉体的团聚现象,以及湿化学法制备所需时间较长的缺陷,有效缩短了反应时间短,并具有低能耗,高产率的特点,有利于今后的工业化推广。
其次,以氧氯化锆和硝酸钇作为锆源和钇源,采用原位分散合成法,结合纳米碳酸钙合成过程中的化学和电化学特性,以纳米碳酸钙的前驱体氢氧化钙溶液为沉淀剂,利用生成的纳米碳酸钙作为干燥和高温焙烧过程中纳米氧化锆的阻聚剂,制备出了分散性良好的纳米钇稳定化氧化锆粉体。
此方法的反应机理为液相中不同种粒子的表面电位正负电性不同,带有电负性的氧化锆前驱体吸附在具有正电性的纳米碳酸钙表面,从而有效的避免了干燥和焙烧过程中产物颗粒的团聚和生长,从而获得分散性良好的产品。
最后,采用无水溶胶凝胶法与电泳沉积法相结合,以正丙醇锆和钇稳定化氧化锆粉体为锆源,以乙酰丙酮为介质,在金属基板上沉积钇稳定化氧化锆陶瓷粉体和氧化锆凝胶,经过高温烧结后获得微米/纳米复合氧化锆陶瓷涂层材料。
由于引入无水溶胶凝胶方法控制纳米氧化锆在钇稳定化氧化锆粉体颗粒的沉积,使得获得的陶瓷涂层厚度有显著提高,并且通过微米压痕仪的检测证明,涂层的机械性能也得到大大提升。
纯／掺杂纳米氧化锆粉体水热法制备研究进展
Ｏ 引 言
氧 化锆 （ Ｚ ｒ Ｏ ） 是一 种重要 的结构 和功 能材 料 ， 具 有 优异
的物理 、 化学性 能 ，如 良好 的力 学 、 热学、 光 学 和优 异 的高 温 离 子 导电 等性能 ］ 。纯 的氧化锆 随 着温 度 的变 化有 ３ 种 晶
法、 液相 法 、 固相 法 。液 相 法 由于 成 分 易 于 控 制 、 成本较低 、 制备 的粉体 性 能好等 优点 而得 到 了广泛 的应 用 ， 该 法更 适 合
・
１ ４ ６・
材料 导报 Ａ： 综述篇
２ ０ １ ３年 １ ０月 （ 上） 第２ ７卷 第 １ ０期
纯／ 掺 杂 纳米 氧化 锆 粉体 水 热 法 制 备研 究 进展
彭伟校 ， 王开军 ， 胡 劲 ， 王 玉天 ， 孙鸿鹏 ， 易 峰
（ 昆明理工大学冶金 与能源工程 学院 ， 昆明 ６ ５ ０ ０ ９ ３ ） 摘要 与氧化锆粉体的其他传统湿化 学制备方 法相 比， 水热 法显示 出更 突出的优 点 ， 是一种 极具发展 潜 力的
氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状
第47卷第13期2019年7月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.47No.13Jul.2019氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状彭春玉(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广东 广州 511356)摘 要:由于氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷材料在作为热障涂层的使用过程中存在因抗烧结性能差㊁应力裂纹㊁涂层脱落等导致涂层失效的问题,本文主要从热障涂层的制备工艺,抗烧结性能㊁控制TGO 的生长㊁抗CMAS 腐蚀及YSZ 面层应变容限等方面的改善方法进行论述,通过提高涂层纯度㊁改变粘接层及涂层成分㊁涂层结构及制备柱状结构YSZ 陶瓷面层释放热失配应力等可有效改善涂层在使用过程中的失效问题㊂关键词:氧化钇稳定氧化锆;热障涂层;等离子喷涂;电子束物理气相沉积;失效机理 中图分类号:O343.6 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2019)13-0044-03作者简介:彭春玉(1980-),女,助理研究员,主要从事表面镀覆领域的发明专利实质审查工作㊂Research Progress on Failure Mechanism of Thermal Barrier CoatingPENG Chun -yu(Patent Examination Cooperation Guangdong Center of the Patent Office,CNIPA,Guangdong Guangzhou 511356,China)Abstract :Due to poor sintering resistance,stress crack,coating shedding and other problems that lead to coating failure in the application of Yttria -stabilized zirconia (YSZ )ceramic materials as thermal barrier coatings,the improvement method of thermal barrier coatings was mainly discussed in terms of sintering resistance,TGO growth control,CMAS corrosion resistance and YSZ surface layer tolerance,which can effectively improve coating failure in application by improving coating purity,changing adhesive layer and coating composition,coating structure and preparing columnar YSZ ceramic surface to release thermal mismatch stress.Key words :Yttria-stabilized zirconia;thermal barrier coating;plasma spray;EB-PVD;failure mechanism热障涂层(thermal barrier coatings,简称TBCs)可以降低金属基底的温度,提高油料的燃烧温度和燃烧效率,而且还可以防止金属基底的高温腐蚀,应用于金属表面,如涡轮叶片和航空发动机㊂TBCs 的功能是为流经前述叶片的热铸件提供隔热㊂氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷材料由于具有高热膨胀系数㊁低热导率及良好的抗氧化性和稳定性等优异性能,已经被广泛应用于制备热障涂层,热障涂层对于进一步提高合金材料的使用温度发挥着重要的作用,可以提高使用温度70~150℃[1]㊂YSZ 具有低的热导率和相对较高的热膨胀系数,但是它在使用过程中存在如下问题[2-7]:(1)抗烧结性能差;(2)热生长氧化物(TGO)内部应力诱发裂纹导致涂层脱落;(3)高温作用下形成一种玻璃态沉积物CMAS 与YSZ 中的Y 2O 3反应,在热化学与热机械的相互作用下,导致YSZ 涂层内部产生裂纹;(4)热膨胀系数存在的差异导致YSZ 面层脱落㊂为了改善YSZ 涂层性能,人们对影响YSZ 涂层服役寿命的常见问题及改善需求㊁改善方法进行了大量的探索和研究㊂1 氧化钇稳定氧化锆涂层的制备氧化钇稳定氧化锆涂层的制备可以通过多种方法实现:如高速火焰喷涂㊁爆炸喷涂㊁磁控溅射㊁离子镀㊁电弧蒸镀㊁激光熔覆㊁化学气相沉积㊁离子束辅助沉积㊁等离子喷涂和电子束物理气相沉积等,但是从热障涂层技术的发展及应用来看,涂层的制备技术以等离子喷涂和电子束物理气相沉积[8-12]为主㊂1.1 等离子喷涂等离子喷涂法是一种最突出和最广泛使用的涂层技术,用于涂覆顶涂层和粘结涂层㊂在该方法中,在阴极附近通过的等离子体气体在到达阳极喷嘴时被加热至等离子体温度,在该等离子体温度下,等离子体气体与载有原料粉末的载气混合,并且熔融粉末颗粒的混合物被制成高速撞击基底,以形成所需的涂层[13]㊂用于氧化钇稳定氧化锆涂层制备的等离子喷涂包括大气等离子喷涂(APS)㊁高能等离子喷涂(HEPS)和低压等离子喷涂(LPPS)㊂等离子喷涂的工艺特点是操作简单,加热温度高,对涂层材料的要求宽松,沉积率高,制备成本低㊂等离子喷涂制第47卷第13期彭春玉:氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状45备的YSZ热障涂层在航空发动机加力燃烧室火焰筒㊁鱼磷板㊁涡轮导向叶片㊁导弹上以及航天领域等均有应用㊂1.2 电子束物理气相沉积电子束物理气相沉积技术是电子束与物理气相沉积技术相互渗透而发展起来的先进表面处理技术㊂它是以电子束作为热源的一种蒸镀方法,其蒸发速率较高,几乎可以蒸发所有物质,而且涂层与工件的结合力非常好㊂EB-PVD比APS的TBCs 抗磨损性能高两倍㊂电子束物理气相沉积涂层应用于涡轮叶片,以提高其耐久性和有效性㊂与APS涂层相比,其沉积速率较低,涂层的热导率高,当涂层材料成分复杂时,材料的成分控制较困难㊂高能电子束设备及大尺寸真空运行成本较高,原材料利用率较低,目前只用于军用燃气涡轮发动机转子叶片等服役环境特别恶劣的部位㊂2 氧化钇稳定氧化锆涂层的研究现状热障涂层的失效主要原因是热循环过程中应力的产生,应力的产生包括了:金属粘结层氧化物的热生长应力㊁相变应力㊁温度梯度分布引起的热应力㊁热膨胀不匹配引起的热应力等㊂关于热障涂层的失效,科研人员针对不同制备工艺㊁不同基底及涂层结构做了大量的研究[14-18],在研究失效机制的同时也有大量的研究关于热障涂层在服役过程中存在的问题的改善方法㊂(1)改善抗烧结性能通过提高陶瓷涂层纯度,减少YSZ涂层中Al2O3杂质的含量,可以显著降低涂层的烧结速率,平面收缩倾向减小,从而降低导热系数的增加速率,涂层表现出一定的抗烧结性㊂李宇杰等[19]用HVOF喷涂NiCoCrAlY合金粘结层,APS喷涂YSZ陶瓷面层,制备了Al2O3含量为0.01wt%~0.64wt%的YSZ涂层㊂比较了不同Al2O3含量的YSZ涂层在1100℃下的热震性能和抗烧结性能,并探讨Al2O3对涂层的影响机理㊂结果表明相较于高纯YSZ涂层,随着涂层中Al2O3含量升高,涂层的抗热震性能降低,且Al2O3促进YSZ涂层的烧结㊂Al2O3含量在小于0.01wt%~0.12wt%区间内时,对涂层抗热震和抗烧结性能有显著影响,含量继续增加至0.64%时,对性能影响减缓㊂显微组织观察与EDS检测结果表明涂层中Al2O3并未在熔融颗粒界面处偏聚,但在颗粒内部有局部偏析㊂由此推测,含Al2O3的YSZ涂层热震失效的原因可能是Al2O3在YSZ颗粒内部偏析,并影响涂层的烧结性能,导致裂纹容易萌生和扩展㊂另一种方法是在涂层中添加特殊化学元素,例如在YSZ涂层中适量掺杂CeO2㊁La2O3能够有效提升涂层的抗烧结性能,苏正夫等[20]采用化学共沉淀煅烧法制备不同LaO掺杂量的LaO-YO-ZrO(YSZ)复合陶瓷粉末,研究该复合陶瓷粉末的高温相稳定性㊁抗烧结性及热物理性能,结果表明:YSZ和不同LaO掺杂量的LaO-YSZ均由单一的非平衡四方相ZrO(t’-ZrO)组成㊂经1400℃热处理100h后,YSZ中t’-ZrO完全转变为立方相ZrO(c-ZrO)和单斜相ZrO(m-ZrO),在0.4mol%~ 1.4mol%LaO掺杂范围内,LaO-YSZ的相稳定性均优于YSZ,其中1.0mol%LaO掺杂的YSZ(1.0mol%LaO-YSZ)经热处理后无m-ZrO生成,表现出良好的高温相稳定性㊂此外,1.0mol% LaO-YSZ较YSZ具有较高的抗烧结性和较低的热导率㊂(2)控制TGO的生长航空发动机在高温服役过程中,粘接层Al,Cr,Ni等金属元素接触氧气发生选择性氧化,会在粘接层(BC)和顶层陶瓷层(TC)表面形成一层热生长氧化物(TGO),进而造成涂层局部膨胀并对TC产生张力,当张力超过了TC的结合力时就会引起裂纹扩展,直至表面涂层的剥落㊂Muñoz Saldaña J等[21]研究了Hf或Zr掺杂粘接层NiAlCr/ 7YSZ电子束物理气相沉积TBC涂层系统的热稳定性㊂通过改变粘接层的化学成分,在粘结层中掺杂活性元素如Hf和Zr,在这些元素的偏析聚集作用下,降低Al2O3的增长速度,抑制TGO生长㊂采用冷喷涂(CS)㊁超音速火焰喷涂(HVOF)等工艺或预先沉积一层富Al的PVD 薄夹层”,改善涂层结构,降低氧气扩散系数,也可减缓TGO的生长速度㊂(3)改善抗CMAS腐蚀性能发动机叶片上CMAS的形成不仅会造成钇的损耗引起ZrO2熔融相变产生不稳定相,CMAS的沉积还会引起涂层应力增大,加速涂层剥蚀,大大降低热障涂层的服役寿命㊂研究发现从以下几方面可改善涂层抗CMAS腐蚀性能:改变涂层化学成分,楼思余等[22]在YSZ中添加Al2O3的添加可以有效地阻碍CMAS的渗入,从而抑制CMAS的向涂层内部侵蚀,降低界面层的浸润性能,增强涂层抗CMAS性能㊂改变涂层结构,郭洪波等[23]通过设计:热障涂层由MCrAlY粘结底层㊁YSZ陶瓷面层和贵金属Pt面层组成,其中M为Ni和/或Co㊂采用该发明所述新型热障涂层,可以阻止熔融CMAS的渗入,有效防止CMAS的腐蚀,提高热障涂层的可靠性和服役寿命㊂(4)改善YSZ面层应变容限采用EB-PVD技术㊁等离子物理气相沉积技术(PS-PVD)㊁悬浮液等离子喷涂技术(SPS)等可制备 柱状”结构的YSZ陶瓷面层,通过柱间纵向开裂释放陶瓷面层/TGO界面上的热失配应力,使热障涂层可以承受更高的失配应变,从而提高YSZ 陶瓷层应变容限,延长涂层热循环寿命㊂这种方法工艺简单,成本低,但是纵向裂纹是通过表面集中加热的方式产生的,密度不高且形态无法控制,因此涂层的循环寿命不稳定,使得涂层在应用上受到很大的限制㊂Florence[24]和Émilie Courtin[25]等利用溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法在金属粘接底层上沉积YSZ层,通过高温热处理使其发生龟裂,再通过APS技术填充裂纹,强化原有结构,形成了一种具有网状分区结构的YSZ陶瓷面层㊂研究结果表明,这种具有纵向分区结构的热障涂层可以达到与EB-PVD热障涂层相近的热循环寿命㊂3 结 语氧化钇稳定氧化锆涂层因其高热膨胀系数㊁低热导率及良好的抗氧化性和稳定性等优异性能而成为航空航天用热障涂层的优良材料㊂氧化钇稳定氧化锆涂层最常用的制备工艺为电子束物理蒸发沉积和大气等离子喷涂技术㊂在服役过程中,涂层易受燃气热流的冲刷和腐蚀,且燃气通过表面孔隙进入涂层内部破坏涂层结构甚至导致涂层的剥离,通过对其失效的分析及改善研究为未来的热障涂层的性能提高与保障提供理论依据及技术支撑㊂46 广 州 化 工2019年7月参考文献[1] Schulz U Leyensa C,Fritscher K.Some recent trends in research andtechnology of advanced thermal barrier coatings[J].Aerospace Science and Technology,2003,7:73-80.[2] JOHHARI A D,R AHMAN M M.A Review of Advance ThermalBarrier Coating Architecture//The3rd National Graduate Conference (Nat Grad2015)[C].Malaysia:Universiti Tenaga Nasional,Putrajaya Campus,2015.[3] XU Z H,HE L M,MUR D,et al.Hot Corrosion Behavior of RareEarth Zirconates and Yttria Partially Stabilized Zirconia Thermal Barrier Coatings[J].Surface&Coatings Technology,2010,204:3652-3661.[4] MOHAN P,PATTERSON T,YAO B,et al.Degradation of ThermalBarrier Coatings by Fuel Impurities and CMAS:Thermochemical Interactions and Mitigation Approaches[J].Journal of Thermal Spray Technology,2010,19(1/2):156-167.[5] 郑蕾,郭洪波,郭磊,等.新一代超高温热障涂层研究[J].航空材料学报,2012,32(6):14-20.[6] LEE M J,LEE B C,LIM J G,et al.Residual Stress Analysis of theThermal Barrier Coating System by Considering the Plasma Spraying Process[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2014,28(6):2161-2168.[7] HEVERAN C M,XU J P,SARIN V K,et al.Simulation of Stresses inTBC-EBC Coating Systems for Ceramic[J].Surface&Coatings Technology,2013,235:354-360.[8] Guo Sh Q,Kagawa Y.Isothermal and cycle properties of EB-PVDyttria-partially-stabilized zirconia thermal barrier coatings at1150and 1300℃[J].Ceramics International,2007,33(3):373-378. [9] Renteria A F,Saruhan B,Schulz U,et al.Effect of morphology onthermal conductivity of EB-PVD PYSZ TBCs[J].Surface and Coatings Technology,2006,201:2611-2620.[10]Li M H,Sun X F,Hua W Y,et al.Thermocyclic behavior of sputteredNiCrAlY/EB-PVD7wt%Y2O3-ZrO2thermal barrier coatings[J].Surface and Coatings Technology,2006,200:3770-3774. [11]Wu F,Jordan E H,Ma X,et al.Thermally grown oxide growthbehavior and spallation lives of solution precursor plasma spray thermal barrier coatings[J].Surface and Coatings Technology,2008,202: 1628-1635.[12]Matthew K,Jogender S,Judith T,et al.Metallographic techniques forevaluation of Thermal Barrier Coatings produced by Electron Beam Physical Vapor Deposition[J].Materials Characterization,2008,59:863-870.[13]Vikas Chawla,Buta Singh Sidhu,D Puri,et al.Performance of PlasmaSprayed Nanostructured and Conventional Coatings[J].Journal of the Australian Ceramic Society Volume,2008,44(2):56-62. [14]苗文辉,王璐,郭洪波,等.CMAS环境下电子束物理气相沉积热障涂层的热循环行为及失效机制[J].复合材料学报,2012,29(5): 76-82.[15]张小锋,周克松,宋进兵,等.等离子喷涂-物理气相沉积7YSZ热障涂层沉积机理及其CMAS腐蚀失效机制[J].无机材料学报, 2015,30(3):287-293.[16]Krishna P J,Robert E,Kang Y,et al.A study of damage evolution inhigh purity nano TBCs during thermal cycling:A fracture mechanics based modelling approach[J].Journal of the European Ceramic Society,2017,37(8):2889-2899.[17]Yongseok Kim,Dong-Keun Lee,In-Hwan Shin,et al.MicrostructuralAnalysis of TMF Failure Mechanism of GTD-111Applied to Gas Turbine Blades[J].Procedia Engineering,2013,55:204-209. [18]白玉梅,徐颖强,赖明荣,等.热障涂层不匹配残余应力的分析研究[J].科学技术与工程,2011,11(14):3126-3129. [19]李宇杰,于月光,冀晓鹃,等.Al2O3含量对YSZ热障涂层性能的影响[J].热喷涂技术,2018,10(1):62-68.[20]苏正夫,刘怀菲,王雅蕾.La2O3和Y2O3掺杂ZrO2复合材料的高温相稳定性㊁抗烧结性及热导率[J].复合材料学报,2015,32(5): 1381-1389.[21]Muñoz Saldaña J,Schulz U,Mondragón Rodríguez G C,et al.Microstructure and lifetime of Hf or Zr doped sputtered NiAlCr bond coat/7YSZ EB-PVD TBC systems[J].Surface and Coatings Technology,2018,335:41-51.[22]楼思余,单萧,赵晓峰.大气等离子喷涂热障涂层CMAS防护层成分及厚度优化[J].表面技术,2018,47(2):208-217. [23]郭洪波.一种抗熔融CMAS腐蚀的稀土铝酸盐热障涂层及其制备方法[P]:中国104988454,2015-10-21.[24]Advances in YSZ Coatings Prepared by Sol-Gel Route.Applications toFuel Cells or Thermal Barrier Coatings,Florence et al[J].Key Engineering Materials,2006,317-318:529-532.[25]Émilie Courtin,Boy P,Rouhet C,et al.Optimized Sol-Gel Routes toSynthesize Yttria-Stabilized Zirconia ThinăFilms as Solid Electrolytes for Solid Oxide Fuel Cells[J].Chemistry of Materials,2016,24(23): 4540.。
合成稳定氧化锆的研究及应用
二 次 １ ０ ｏｘ ｈ热 循 ０Ｃ ｌ ２
环冲击后 的稳定 化 率／ ％
３ ０ ６ ３ ９ ０
／ ・ｍ ｇｃ
４９ ．２ ４５ ．Ｏ ４１ ．２
／ ％
１ ． ２３ ２ １ Ｏ． ２ ． ２４
而 以Ｂ 定 的 氧 化 锆 ， 积 密 度 、 孔 率 变 化 稳 体 气
试 样 经 １ ０ ｃｘ ｈ 后 ， 其 体 积 密 度 、 ０Ｉ ３ 烧 ７ ＝ 测
表 １ 合 成 稳 定 氧 化 锆 原 料 配 比， ％
方 案
Ｚｒ ， Ｏ
＿
Ａ１
９ ５ ７． ２５ ．
Ａ ２
９ ６ ４
Ａ３
９３ ７
Ｂ１
９ ５ ７
．
Ｂ２
的根 本 原 因 。 因 此 ， 铸 用 ９ ％－ Ｒ 定 径 水 口 、 板 连 ５ ＺＯｚ 滑 的 开发 必 须 使 用 稳 定氧 化锆 作 为 主 要 原 料 。 ２ 氧 化 锆 的稳 定 原 理 向工 业 氧 化 锆 中 加 入 适 量 的 稳 定 剂 ， 可
的 细 粉 （ １５ ０目）为 原 料 ， ａ Ｙ ０ 、 Ｏ ≤ ０ Ｃ Ｏ、 ２ ３Ｍｇ 为 稳 定 剂 ， 称 量 好 的 原 料 放 入 搅 拌 机 混 合 把
维普资讯
第 ３ ０卷 第 ３期
２ ２ ０ ４ ０ ２年 ５月
江 苏 冶金
Ｖ １０ ｏ ０． ． ． ３Ｎ ３
Ｍ ａ ２００ ｖ ２
合 成 稳 定 氧 化 锆 的研 究 及 应 用
朱义 文 严 解 荣 汪 雷 齐 书祥
２３０ ４ ０ ０）
单斜晶 亏
四 方晶
立方晶
氧 化 锆 的 单 斜 晶 向 四 方 晶 转 变 属 典 型
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
掺杂掺杂氧化锆稳定化氧化锆稳定化氧化锆稳定化的研究的研究的研究郭源源 吴基球（华南理工大学，广东，广州，510640）johnson-kuo@摘要摘要：： 本文综述了氧化锆相变的机理及其稳定化的影响因素，不同的稳定剂对氧化锆的稳定效果及机理，包括单一稳定剂和复合稳定剂。
关键词关键词： 氧化锆，稳定化，相变，稳定剂 1．引言引言1975年澳大利亚学者K. C. Ganvil 首次提出了利用氧化锆相变产生的体积效应来增韧陶瓷的新概念，人们开始关注氧化锆优异的力学性能，使其被广泛用作结构与工程材料。
随着高科技领域的开拓，人们对氧化锆性能的要求越来越高，对氧化锆材料的应用条件的要求也变得苛刻。
在不同使用环境下，非期望的相变往往导致材料局部应力集中或相变增韧效应失效，使材料的性能大大下降。
因此对氧化锆稳定化的研究就显得十分重要。
2．氧化锆的相变机制氧化锆的相变机制纯氧化锆具有三种晶型，它们之间的转变关系如下【1】：单斜2ZrO 四方2ZrO 立方2ZrO 在常温下氧化锆以单斜相(m )存在，密度 5.653/cm g 。
高温时为四方相(t )，密度为6.103/cm g 。
更高温度下转变为立方相(c )，密度为6.273/cm g 。
m t →的相变属于马氏体相变，并伴有3%～5%的体积膨胀和相当的剪切形变。
立方氧化锆属于萤石结构，每个锆离子与八个等距离的氧离子配位形成8O Zr −结构。
四方氧化锆相当于萤石结构沿C 轴伸长而变形的晶体结构。
单斜相的锆-氧呈7O Zr −配位。
根据配位理论，对于八配位结构的晶体，阳离子与阴离子的半径比−+r r /应大于0.732，而立方氧化锆中的−+24O Zr r r /约为0.564，晶体内氧-氧间隙太小，导致相邻氧-氧之间的库仑排斥力较大而使结构变得不稳定，所以低温下+4Zr 离子趋向于形成配位数小于8的结构，即单斜相，而具有8O Zr −配位结构的立方相和四方相只能在高温下借助于晶格振动平衡才能稳定存在【2】。
3．氧化锆稳定的影响因素氧化锆稳定的影响因素 3.1 .1 晶粒尺寸晶粒尺寸晶粒尺寸 在陶瓷基体中2ZrO 的相变温度是颗粒尺寸和化学组分的函数【1】。
随着颗粒尺寸的减小1170C 0 1000C 0 2730C 0 相变温度降低。
因此，在冷却过程中，大颗粒先发生相变。
当颗粒足够小时，2ZrO t −可以保存到室温，甚至室温以下。
这时陶瓷基体中储存了相变的弹性应变能(T γ)。
只有当基体受到外张力时，解除了基体对小2ZrO t −粒子的约束，转变才能发生。
在一定温度和外应力条件下，2ZrO 粒子发生相变的临界粒径为：)/(a T chem c U U G S D ∆+∆−∆∆=【1】chem G ∆为2ZrO m −与2ZrO t −之间的化学自由能差；T U ∆为相变的弹性应变能的变化；a U ∆为激发相变外应力所付出的能量。
通过控制氧化锆烧结体的晶粒尺寸，使之小于相变的临界粒径，就能获得常温下亚稳态的2ZrO t −。
但并非所有的t 相在外应力作用下都能发生相变【3】，因为t 相的稳定性随晶粒直径减小而增大，室温亚稳t 相由于其晶粒尺寸不同而有不同的稳定性。
对于氧化锆增韧陶瓷，可相变的t 相必须具有一定的分数，否则相变的效果就不明显，只有可以发生相变的t 相颗粒才会对相变韧化做出贡献。
同时微裂纹只产生在较大的m 相晶粒周围，这是由于大晶粒相变时产生的变形积累大，造成周围基体中拉应力超过其断裂强度，而较小m 相晶粒则不足以产生此效应。
因此还存在一个有效相变的粒径0D ，只有使氧化锆的晶粒尺寸D 介于c D 与0D 之间才能既达到稳定的目的又实现相变增韧的效应，即c D D D <<0。
3.2 .2 掺杂阳离子的掺杂阳离子的掺杂阳离子的半径半径理想八配位立方氧化锆晶体中的氧离子半径为0.103nm 【4】，而锆离子的半径为0.082nm ，不利于晶体结构的稳定，因此通过掺杂阳离子半径大于+4Zr的氧化物，使阳离子固溶到立方氧化锆的晶格中，可以增加−+r r /从而提高高温相的稳定性。
目前常用的稳定剂有32O Y 、CaO 和2CeO 等，这些氧化物的阳离子半径与锆离子半径相差不大，且晶体结构比较相近，因此能很好的固溶在氧化锆晶体中。
不同的掺杂氧化物在氧化锆晶体中有不同的固溶量，这主要是由于不同电价的阳离子进入氧化锆晶格后造成晶格畸变的程度不同。
3.3 .3 氧空位的影响氧空位的影响氧空位的影响这些低价阳离子取代+4Zr 离子的位置时，为了保持材料的局部电中性而在点阵中引入氧空位。
分布在氧化锆体内的锆离子周围的空位降低了局部氧-氧之间的排斥力，释放了部分层间应力，促进四方或立方体系的稳定【2】。
Catlow 和Vehara 等人指出，在232ZrO O Y −材料中，氧空位有优先停留在离子半径比+3Y 小的+4Zr 周围的趋势。
因此随掺杂阳离子含量提高，在某些局部区域，有可能存在着与单斜相十分相近的7O M −甚至6O M −配位的微小单元。
路新瀛等【5】人通过电场诱发氧化锆相变试验证明了氧空位浓度的增加有利于高温相的稳定性，同时降低了m t →的相转变温度S M 。
但是并非氧空位越多越好，在高温下氧离子有较高的迁移能，空位与−2O 的互扩散使空位易于向对称性低的界面富集，而体内空位的增多，有利于阳离子的体扩散。
空位与阳离子在界面处复合导致界面空位的减少，使氧化锆稳定性减弱。
因此掺杂的稳定剂存在一个优化的量，并非越多越好【2】。
3.4 Y .4 Y--TZP 的低温老化的低温老化Y -TZP 材料在中低温度(150-400C 0)、潮湿环境中使用，会自发产生m t →相变，产生体积膨胀从而引发微裂纹和宏观裂纹，最终引起材料力学性能严重下降。
Sato【6】、Lange 【7】、Yoshimura【8】等提出，因为O H 2分子在材料表面产生化学吸附，并分解成−OH 和+H ；随后−OH 离子进入TZP 晶格并迁移，使Zr O Zr −−键断开，形成OH Y −键，使稳定剂失效。
同时键长的变化导致应力集中，有利于m 相的成核和长大，发生m t →相变。
4. . 氧化锆稳定化的措施氧化锆稳定化的措施氧化锆稳定化的措施氧化锆的稳定化主要使通过掺杂稳定剂的来实现的。
通过控制掺杂稳定剂的含量可以获得相组成不同的氧化锆，若使部分2ZrO t −亚稳到室温，就得到部分稳定氧化锆PSZ；若使2ZrO t −全部亚稳到室温则获得只含2ZrO t −的单相多晶四方氧化锆TZP；若使2ZrO c −亚稳到室温，获得2ZrO c −单相材料即全稳定氧化锆FSZ【9】。
稳定剂可以单一使用也可以复合使用，对氧化锆稳定化的作用也不同。
4.1 .1 单一稳定剂的作用单一稳定剂的作用单一稳定剂的作用⑴TZP Y −、TZP Yb −32O Y 是目前用的最多的氧化锆稳定剂，主要是因为+3Y 的离子半径比较大有利于提高−+r r /而增加八配位的稳定性。
Y-TZP 还表现出良好的耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性，以它为基体已开发出多元复合强化氧化锆陶瓷，研究表明3Y-TZP 的综合力学性能最优。
TZP Yb −具有优异的耐热冲击性，Kontoyannis 【10】研究了各种稀土氧化物稳定TZP 材料的热性能，发现TZP Yb −抗热腐蚀能力最强。
32O Yb 与32O Y 的晶型相同，Gonzalez M 等⑾研究了32O Yb －2ZrO 系统的相平衡，发现32O Yb －2ZrO 的相图和32O Y －2ZrO 的相图很相近。
但+3Yb 的离子半径与−2O 相差较小，因此用32O Yb 做稳定剂不如32O Y 效果好。
32O Yb 的引入导致晶格不够稳定，有利于烧结过程中的晶格扩散和晶界扩散，因此Yb-TZP 的烧结温度低于Y-TZP，但是强度有所下降，韧性提高。
⑵TZP Ce −2CeO 由于其价格低廉，且能在较宽的范围内与氧化锆形成四方相固溶区，也常被用作氧化锆的稳定剂。
2CeO 稳定的氧化锆其相变临界晶粒尺寸较大，因此不需要超细粉末即可制得性能较好的氧化锆材料。
但另一方面由于2CeO 对烧结有促进作用使得烧结体晶粒粗大，有利于发生相变。
与Y-TZP 相比，Ce-TZP 具有良好的断裂韧性和抗低温水热老化性能，不足之处是硬度和强度偏低【9】。
⑶PSZ Mg −氧化镁部分稳定氧化锆具有良好的抗腐蚀性能，导热系数低，线膨胀系数与铸铁匹配等特点，而被广泛应用于石油、化工、机械等领域。
但MgO 与2ZrO 的固溶温度较高，因此传统的PSZ Mg −需要在高于1700C 0的温度下烧结，所得的材料晶粒尺寸较大，限制其性能的进一步提高。
同时PSZ Mg −在冷却至1400C 0以下时，会重新分解为四方2ZrO 和MgO ，继续冷却至900C 0时，分解出来的四方2ZrO 相变成单斜2ZrO ，使材料失稳，限制了PSZ Mg −在高温段的使用【1】。
4.2 .2 复合稳定剂的作用复合稳定剂的作用复合稳定剂的作用用单一稳定剂对氧化锆进行稳定化并不能获得优良的综合性能，在实际中，常常使用的是复合稳定剂，将不同稳定剂的稳定效果综合起来，又能克服使用单一稳定剂的不足。
毛骏飙等【4】研究了32O Yb 对Y-TZP 的影响，发现在Y-TZP 材料中掺入0～3%32O Yb ，可使材料在保持原有抗弯强度的同时，一定程度地改善断裂韧性，提高了Y-TZP 的失效性能及耐热冲击性。
苏雪筠【12】采用32O Yb 、32O Al 、2TiO 复合稳定剂来制备Yb-TZP，认为32O Al 、2TiO 的加入使烧结性能大为改善，从而也提高了力学性能。
随着32O Al 加入量的增加，抗弯强度及韧性也呈增加趋势。
大部分32O Al 和2TiO 及杂质的2SiO 形成玻璃相，对晶粒起液相润湿作用。
另有文献指出2TiO 和2ZrO 在1530C 0下会发生反应，在晶粒颈部生成3ZrTiO ，促进烧结。
在Y-TZP 中添加适量的2CeO ，有利于提高c D 、稳定相结构并有效地抑制低温老化现象。
H.Tsubakino 【13】报道了在Y-TZP 中加入一定量的32O Al 可抑制老化，同时材料的抗弯强度、断裂韧性也有一定提高，其原因为32O Al 弥散相阻碍了四方2ZrO 晶粒的长大，并且起到了颗粒增强的作用，有效阻止了老化由表面向内部扩展。
Lee DY 【14】报道了由32O Al 颗粒与52O Nb 和32O Y 共同稳定的TZP 复合材料，由于Nb Y −在2ZrO t −内作类重石结构的有序排列，使2ZrO t −晶格内晶粒应力 得以解放，2ZrO t −表现出较好的低温稳定性，从而有效抑制材料的低温老化；同时又由于32O Al 的裂纹偏转和桥联效应，使材料的断裂韧性明显提高。