第四章氧化铝和氧化锆
氧化锆粉+氧化铝粉的陶瓷烧结温度
氧化锆粉和氧化铝粉是目前制备高性能陶瓷材料中常用的原料，它们具有优良的耐高温、耐腐蚀和机械强度等特性，因此在航空航天、能源、化工等领域有着广泛的应用。
而通过烧结工艺将氧化锆粉和氧化铝粉制成的陶瓷制品，其烧结温度是影响陶瓷制品性能的重要因素之一。
在陶瓷烧结过程中，氧化锆粉和氧化铝粉的烧结温度不仅决定了陶瓷制品的致密度、强度和晶粒尺寸等性能，还直接影响了烧结工艺的成本和效率。
科研工作者和生产厂家一直致力于寻找最佳的氧化锆粉和氧化铝粉的烧结温度，以满足不同工作条件下的需求。
在实际生产中，氧化锆粉和氧化铝粉的烧结温度是根据具体的配方和烧结工艺来确定的，下面我们将结合实验数据，深入探讨氧化锆粉和氧化铝粉的烧结温度。
1. 影响氧化锆粉和氧化铝粉烧结温度的因素在烧结工艺中，氧化锆粉和氧化铝粉的烧结温度受到多种因素的影响。
其中主要包括原料的性质、压制工艺、烧结气氛和烧结时间等因素。
1.1 原料的性质氧化锆粉和氧化铝粉的颗粒大小、形状、晶型和纯度等性质会直接影响其烧结温度。
一般来说，颗粒尺寸较小、形状较规则的氧化锆粉和氧化铝粉在烧结过程中更容易形成致密的结构，从而降低烧结温度。
1.2 压制工艺在烧结工艺中，通过改变氧化锆粉和氧化铝粉的压制工艺，可以调整烧结温度。
一般而言，采用高压制度工艺，如等静压烧结和冷等静压烧结，可以降低烧结温度。
1.3 烧结气氛选择合适的烧结气氛也对氧化锆粉和氧化铝粉的烧结温度有着重要影响。
在还原气氛下进行烧结，可以降低烧结温度，促进烧结过程中氧化物的还原反应，形成致密的结构。
1.4 烧结时间烧结时间对烧结温度也有一定影响。
一般情况下，延长烧结时间可以降低烧结温度，使氧化锆粉和氧化铝粉更充分地发生烧结反应，提高陶瓷制品的致密度和强度。
2. 实验数据分析针对氧化锆粉和氧化铝粉的不同性质和烧结工艺条件，我们进行了大量的实验研究，得到了丰富的实验数据。
通过对这些数据的分析，我们可以将氧化锆粉和氧化铝粉的烧结温度进行初步归纳。
氧化铝加氧化锆的作用
氧化铝加氧化锆的作用氧化铝（Al2O3）和氧化锆（ZrO2）是两种常见的陶瓷材料，它们在工业和科研领域中具有广泛的应用。
而将氧化铝与氧化锆进行混合，可以产生一系列新的复合材料，这些材料在许多领域都有重要的应用。
本文将探讨氧化铝和氧化锆混合的作用及其应用。
将氧化铝和氧化锆混合可以改善材料的物理和化学性质。
氧化铝是一种高硬度和高熔点的陶瓷材料，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
而氧化锆具有较高的强度和韧性，同时具有良好的热稳定性和化学稳定性。
将这两种材料混合后，可以充分发挥它们各自的优势，得到具有更好性能的复合材料。
氧化铝和氧化锆的混合可以提高材料的导热性能。
氧化铝具有较高的导热系数，而氧化锆的导热性能较差。
通过将氧化铝和氧化锆按一定比例混合，可以在一定程度上提高复合材料的导热性能，从而满足一些特殊应用领域对导热性能的要求。
氧化铝和氧化锆的混合还可以改善材料的力学性能。
氧化铝具有较高的硬度和强度，而氧化锆具有良好的韧性。
将这两种材料混合后，可以得到硬度和强度均较高，同时具有一定韧性的复合材料。
这种材料在一些需要同时具备硬度和韧性的领域，如陶瓷刀具、陶瓷机械零件等方面具有重要应用。
氧化铝和氧化锆的混合还可以改变材料的电性能。
氧化铝是一种绝缘体，而氧化锆具有一定的导电性。
将这两种材料混合后，可以得到一种具有一定导电性的复合材料。
这种材料在一些需要同时具备绝缘性和导电性的领域，如电子器件的绝缘层等方面具有重要应用。
氧化铝和氧化锆的混合还可以改善材料的耐热性能。
氧化铝具有较高的熔点和热稳定性，而氧化锆的耐热性能较差。
通过将氧化铝和氧化锆混合，可以提高复合材料的耐热性能，使其在高温环境下具有更好的稳定性和耐久性。
将氧化铝和氧化锆进行混合可以产生具有更好性能的复合材料。
这些复合材料在许多领域都有广泛应用，如航空航天、电子器件、机械制造等。
通过合理调整氧化铝和氧化锆的比例和制备工艺，可以得到满足特定需求的复合材料。
未来，随着科技的不断进步，氧化铝和氧化锆混合材料的应用领域还将不断扩大，为各个行业带来更多的机遇和挑战。
氧化锆陶瓷
2，微裂纹增韧
? 部分稳定的 ZrO2陶瓷在冷却过程中，存在相变， 在基体中产生分布均匀的微裂纹。当材料受力时， 主裂纹扩展过程中碰到原有微裂纹会分叉和改变 方向而吸收一部分能量，从而减缓和阻碍裂纹的 扩展。
? 微裂纹的产生：
? 1）自发相变微裂纹，即 d>dm的晶粒相变时， 相变产生的积累变形大，诱发显维裂纹。
? 四方ZrO2相作为增韧相分散到其他陶瓷基体， ZTA 。
? 一、硬度大，耐磨性好
? 冷成型工具、拉丝模 ? 特点：光洁度高，尺寸均匀 ? 喷嘴材料： ? Al2O3的26倍 ? 研磨介质 ? 与Al2O3比较为0：15 ? 球阀材料
? 二、强度高、韧性大
? 常温抗折强度 1.1GPa
? KIC 4.3( 日本特殊陶业的“ TTZ”陶瓷） ? 切削工具、 绝热柴油机的主要侯选材料，如发动
?
d 1<d<dc
? 3，诱发显维裂纹的临界直径 dm ? 当d>dc的晶粒室温下为 m相。 ? 由于相变的体积效应，产生显维裂纹。 ? d>dm的晶粒相变时，相变产生的积累变形大，
诱发显维裂纹。
? dc>d>dm的晶粒相变时，相变产生的积累变形小， 不足诱发显维裂纹，当其周围存在残余应力。
二、相变增韧机理
部分稳定氧化锆组织
? 一、尺寸效应
? 1，临界尺寸 dc ? d>dc的晶粒，室温下已经转变为 m相， ? d<dc的晶粒，室温下仍保留为 t相 ? 只有d<dc的晶粒，才可能产生韧化作用 ? 2，诱发相变的临界粒径 d1 ? t相的稳定性随粒径的减小而增加。当承载时，
裂纹尖端应力能诱发一部分颗粒产生 t－m相 变。
? 引入添加剂，抑制相变，保留立方 ZrO2相。
氧化铝陶瓷 氧化锆陶瓷 氮化硅陶瓷
氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷是现代工业中应用较为广泛的特种陶瓷材料，它们具有优异的性能，被广泛用于高温、高压、耐磨、绝缘、耐腐蚀等领域。
下面将对这三种陶瓷材料进行介绍和比较。
一、氧化铝陶瓷1.1 氧化铝陶瓷概述氧化铝陶瓷是由氧化铝粉末制成，在高温下烧结而成的一种陶瓷材料。
它具有高硬度、耐磨、高温稳定性、化学稳定性等优点，被广泛用于制造工具、轴承、夹具、瓷砖等领域。
1.2 氧化铝陶瓷的特性氧化铝陶瓷具有以下特性：（1）高硬度：氧化铝陶瓷的硬度接近于金刚石，具有优异的耐磨性。
（2）高温稳定性：氧化铝陶瓷在高温下仍能保持稳定的物理和化学特性。
（3）化学稳定性：氧化铝陶瓷具有良好的耐腐蚀性，不易受化学腐蚀。
（4）绝缘性能：氧化铝陶瓷具有良好的绝缘性能，被广泛用于电子元件等领域。
1.3 氧化铝陶瓷的应用氧化铝陶瓷被广泛用于制造高速切削工具、陶瓷轴承、导热陶瓷、电子元件等领域。
因其优异的性能，在航空航天、制造业、电子领域有着重要的应用价值。
二、氧化锆陶瓷2.1 氧化锆陶瓷概述氧化锆陶瓷是以氧化锆粉末为主要原料，经过成型、烧结等工艺制成的一种高性能陶瓷材料。
它具有高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀等特点，被广泛用于医疗器械、航空航天及其他领域。
2.2 氧化锆陶瓷的特性氧化锆陶瓷具有以下特性：（1）高强度：氧化锆陶瓷的抗弯强度和抗压强度较高。
（2）高韧性：氧化锆陶瓷在高强度的同时具有较高的韧性，不易发生断裂。
（3）耐磨性：氧化锆陶瓷表面光滑，耐磨性能优秀。
（4）耐腐蚀性：氧化锆陶瓷具有良好的耐腐蚀性，不易受化学物质的侵蚀。
2.3 氧化锆陶瓷的应用氧化锆陶瓷被广泛用于医疗器械、航空航天、化工设备等领域。
其在人工关节、瓷牙、高温热电偶等方面有着重要的应用。
三、氮化硅陶瓷3.1 氮化硅陶瓷概述氮化硅陶瓷是以氮化硅粉末为主要原料，经过成型、烧结等工艺制成的一种高性能陶瓷材料。
它具有高硬度、高强度、高热导率等特点，被广泛用于机械制造、光学工业等领域。
氧化锆 氧化铝硬度
氧化锆氧化铝硬度氧化锆和氧化铝是两种常见的陶瓷材料，它们具有较高的硬度，因此在各个领域都有广泛的应用。
本文将分别介绍氧化锆和氧化铝的硬度特点，并探讨其在工业和科学领域中的重要应用。
一、氧化锆的硬度氧化锆是一种具有优异性能的陶瓷材料，其硬度较高。
具体来说，氧化锆的硬度在莫氏硬度尺度上约为8.5，属于非常硬的材料之一。
与传统的金属材料相比，氧化锆的硬度要高出很多，这使得它具有出色的耐磨性和耐刮擦性能。
氧化锆的硬度优势使其在工业领域中得到广泛应用。
首先，氧化锆可用于制作高硬度的陶瓷刀具，如切割刀、磨削刀等，以应对各种材料的切割和加工需求。
其次，氧化锆还可以用于制作陶瓷磨料，广泛应用于金属加工、玻璃加工等行业，具有很好的磨削效果和较长的使用寿命。
氧化锆的硬度也使其成为一种理想的耐磨材料。
在一些对材料硬度要求较高的领域，如石油化工、航空航天等，氧化锆可以作为耐磨密封件、轴承等部件的材料，以提高设备的使用寿命和可靠性。
二、氧化铝的硬度氧化铝是另一种常见的陶瓷材料，其硬度也相对较高。
一般而言，氧化铝的硬度在莫氏硬度尺度上约为9，比氧化锆稍高。
这使得氧化铝具有更好的耐磨性和耐高温性能。
氧化铝的硬度优势使其在各个领域中得到广泛应用。
首先，氧化铝常用于制作研磨材料，如砂纸、砂轮等，以满足各种加工需求。
其次，氧化铝还可用于制作高硬度的陶瓷制品，如陶瓷刀具、陶瓷轴承等，以提高产品的使用寿命和性能。
氧化铝的硬度还使其成为一种理想的绝缘材料。
在电子工业和电力工业中，氧化铝常用于制作绝缘垫片、绝缘管等部件，以防止电流的泄漏和散失。
三、氧化锆和氧化铝的应用比较氧化锆和氧化铝虽然在硬度上存在一定差异，但它们都是非常硬的陶瓷材料，具有相似的特点和应用领域。
它们在工业和科学领域中都扮演着重要的角色。
总的来说，氧化锆和氧化铝的硬度特点使它们成为制作刀具、磨料、耐磨部件和绝缘材料的理想选择。
同时，它们还具有耐高温、耐腐蚀等优异性能，能够应对各种恶劣环境的挑战。
5_氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷的对比分析_Wright
国外科医师 Pierre Boutin 首次应用氧 化铝陶瓷 2。1977 年，Laurent Sedel 开始植入氧化铝 陶瓷球头以及
Ceraver Osteal 一 体式氧化铝陶瓷髋 臼(图 2)3。他使用 这种组合的一组病 例(共 86 例)术后 8 年的假体生存率达 到了 97.8%。失败 的主要原因归结为 操作技术而非假体 设 计 和 假 体 材 料 。 在 上 世 纪 80 年 代 早 期 Mittelmeier AUTOPHOR 氧化铝股骨头和氧化铝 髋臼杯被介绍到美国(图 3)。从 1982 年到 1985 年，Mahoney 等 4 共植入 42 例此类假体。平均 随访 4.25 年后假体的失败率为 35%。失败的主 要原因在于髋臼假体的不良表现以及股骨柄与 髓腔匹配差。术者认为：“陶瓷关节面组合表现 良好，与不良结果无关”。O’Leary 等也报道了他 们使用 AUTOPHOR 假体的一组病例结果，共 69 髋，总翻修率为 27%，翻修平均时间为首次手 术后 26.2 个月 5。同样他也认为假体失败的主要 原因是“假体设计和技术方面存在问题”，而非 陶瓷关节面。
氧化锆陶瓷 1985 年随着氧化锆股骨球头植入人体(图
5)，氧化锆陶瓷开始应用于骨科领域。因为氧化 锆陶瓷的抗破裂强度高于氧化铝陶瓷，因此人们
期望氧化锆陶瓷的 破裂率低于氧化铝 陶瓷。目前称之为氧 化锆的陶瓷实际上 是以氧化钇稳定的 四方氧化锆多晶体 (Y-TZP)。尽管氧化钇 是作为稳定剂添加 的，但氧化锆的四方相结构仍然是不稳定的，在 体内可能发生一些有害的相变。Haraguchi 等报 道了两个从体内取出的氧化锆陶瓷股骨头，研究 分析表明：氧化锆陶瓷内部单斜相比例由出厂时 的 1%上升到取出时的 30%。陶瓷表面的粗糙 度较其植入前的最初值增加了 20 倍，并且发现 陶瓷头表面存在许多坑穴 9。
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氧化铝、氧化锆等生物惰性陶瓷性能对比
生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定、生物相容性好的陶瓷材料。
而生物相容性是指生物材料植入体内后，机体对植入物发生的反应。
迄今为止，还没有一种材料是完全惰性的物质，所以，相容性是相对的。
现有的惰性生物陶瓷有氧化铝、氧化锆以及医用碳素材料等。
这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键合力较强，而且都具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。
1、氧化铝生物陶瓷
植入材料中的氧化铝是一种一直使用得很满意的实用生物材料。
单晶氧化铝c 轴方向具有相当高的抗弯强度（1300MPa），耐磨性能好，耐热性好，可以直接与骨固定。
已被用作人工骨、牙根、关节和固定骨折用的螺栓。
并且该螺栓不生锈，也不会溶解出有害离子，与金属螺栓不同，勿需取出体外。
60年代后期，广泛用作硬组织修复。
70年代至80年代中期，世界许多国家如美国、日本、瑞士等国家，都对氧化物陶瓷，特别是氧化铝生物陶瓷进行了广泛的研究和应用。
由于氧化铝陶瓷植入人体后表面生成极薄的纤维膜，界面无化学反应，多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接。
但是氧化铝也存在几个问题：1、与骨不发生化学结合，时间长后骨固定会发生松弛；2、机械强度并不十分高；3、杨氏模量过高（380GPa）；4、摩擦系数和磨耗速度不十分低。
▲高纯氧化铝生物陶瓷人体关节头
2、氧化锆生物陶瓷。
氧化锆--氧化铝
结构陶瓷—氧化锆陶瓷
• 3.四方相氧化锆弥散分布到其他陶瓷基体中, 即弥散 四方相氧化锆(ZTC)增韧陶瓷，如四方相氧化锆增 韧氧化铝(ZTA)。
9.2 氧化锆陶瓷的增韧原理
• 利用氧化锆相变增韧来改善陶瓷材料的脆性， 各国学者对氧化锆陶瓷的增韧机理进行了大 量研究，在增韧理论和增韧陶瓷的研究方面 取得许多重要进展。近来报道氧化锆增韧陶 瓷的断裂韧性已达15－30MPa.m1／2，抗弯 强度达到2000MPa以上。增韧机理主要有： 应力诱导相变增韧、微裂纹增韧、残余应力 增韧、表面增韧以及复合增韧等。
• 高纯的ZrO2呈白色，较纯的ZrO2呈黄色或灰色。 ZrO2化学性能稳定，除硫酸和氢氟酸外，对酸、碱 及碱熔体、玻璃熔体和熔融金属都具有很好的稳定 性。热导率低、热稳定性好及高温蠕变小是ZrO2的 最主要特征。纯ZrO2致密烧结体变形温度高达 2400〜2500℃，所以ZrO2是高温隔热及结构陶瓷 的理想材料。ZrO2陶瓷还具有极好的耐磨性，与 Al2O3陶瓷相比，其磨损率为0：15（ZrO2：Al2O3） [1]。此外，ZrO2陶瓷化学性能稳定，还与多数熔融 金属不湿润。目前在各种金属氧化物陶瓷中，ZrO2 的重要作用仅次于Al2O3。
• 氧化锆陶瓷首次由Wolten在1963年报道t→m这种 相变为马氏体相变[24]。以马氏体相变为增韧基础。 Claussen[25]根据陶瓷材料的显微结构特征，将氧化 锆增韧陶瓷进行了细致分类。根据亚稳四方相在应
力诱导下的相变增韧作用，氧化锆相变增韧陶瓷有 三种主要类型：
• 1.完全由四方相氧化锆细晶组成的四方多晶氧化锆 (TZP)增韧陶瓷，如Y-TZP；
氧化铝和氧化锆陶瓷
3 放电氧化法
将高纯铝粉浸于纯水中，插上电极使之产生高频 火花放电，铝粉激烈运动并与水反应生成氢氧化铝， 经煅烧制得高纯氧化铝粉末。
全部稀土元素与氧化锆都能形成固溶体，能 起到稳定作用的条件是：该离子半径与锆离 子半径相差不超过40%。 常用的稳定剂有：CaO, MgO, CeO2, Y2O3
c-ZrO2: 5.68-5.91 g/cm3 t-ZrO2: 6.10 g/cm3 m-ZrO2: 5.56 g/cm3 ZrSiO4: 4.6 g/cm3
用途
1. 车削用刀具、纺织机械和石油工业的耐磨零 件、高温热电偶保护管、坩埚等。
2. 防弹衣、防弹装甲等; 3. 喷嘴、除沙嘴; 4. 氧化铝的磨介目前用量最大。有球形、柱状、
锥形等。
其他的应用
熔融和片状耐火材料; 磨料; 纤维：保温隔热材料、复合材料的增强相; 晶须; 人体的髋和膝关节、牙等。
氧化锆生物陶瓷
人工关节 牙种植体
近于惰性 良好的生物相容性
抗生理腐蚀 良好的韧性、耐磨性 和强度
ZrO2陶瓷中的晶粒尺寸效应
应力诱发t-m相变的临界直径dI
Stress induced phase transformation t相的稳定性随着粒径的减小而增大 dI<d<dc: 应力诱发t-m相变 d<dI: t相
t-m相变诱发显微裂纹的临界直径dm
d>dm: 相变诱发显微裂纹； dc<d<dm: 晶粒虽然产生了相变，但不足以诱 发显微裂纹
氧化铝和氧化锆陶瓷
氧化锆陶瓷材料及应用
Garvie 1975年首先报道: ceramic steel
主要来源于锆英石(ZrSiO4) 矿，杂质主要为Al2O3, HfO2, TiO2
2680°C
2370 °C
液相(L) ←⎯⎯⎯⎯→ 立方相(c) ←⎯⎯⎯⎯→
1170 °C
正方相(t) ←⎯⎯⎯⎯→ 单斜相(m)
氧化锆生物陶瓷
人工关节 牙种植体
近于惰性 良好的生物相容性
抗生理腐蚀 良好的韧性、耐磨性 和强度
95 Al2O3 、92 Al2O3、90 Al2O3、 80 Al2O3、 75 Al2O3
配方
95Al2O3:
高岭土2%+滑石3% 滑石3.75%+SiO20.63%+(CaCO3+MgCO3) 0.63%
99Al2O3:
高岭土0.75%+ MgCO3 0.25%
透明氧化铝
1959年美国通用电气公司报道了透光性的氧化铝陶瓷， 这种陶瓷的透光率对4000-6000nm的红外波段透光大于 80%(1mm厚的试样)。
t相
m相
基
应
体 本
dI
力 诱
身
发
的
增
贡
韧
献
残
dc
余 应
力
增
韧
晶粒尺寸d 显 dm 微 裂 纹 增 韧
K1c0
ΔK1cT
ΔK1cS
ΔK1cM
ΔK1cT
TZP
晶 粒 百 分 数
ΔK1cT K1c0
t+m双相组织 ΔK1cs
ΔK1cm
dI
dC dm
不同尺寸晶粒韧化的机理
TZP的韧性为：K1c(TZP) = K1c0 + ΔK1cT t+m双相组织：
特种耐火材料
被普遍和广泛使用的是结合剂，它赋予或提高非塑性 物料的可成型性及提高坯体和成品的理化性能。
特种耐火材料的工业生产中，常见的结合剂有：纸浆 废液、沥青、酚醛树脂、糊精化淀粉、石蜡、油酸、 铝酸钙水泥、硅酸钠、磷酸盐、硫酸铝、-氧化铝、微 粉等。36_4
第三章 特种耐火材料的基本工艺
特种耐火材料的制造工艺基本上与普通耐火材料和传 统陶瓷的制造工艺相仿。其工艺流程如下： 原料选择原料热处理粉碎配料混练素坯成型 干燥素坯预烧粗加工烧成最后加工检验 成品。
第一节 坯料的制备
一、热处理
煅烧：在低于制品的烧成温度下，将原料预先烧一次。
目的是去除原料中易挥发的杂质和夹杂物、使原料的 颗粒致密化及结晶长大、促使其完成晶型转化。
电熔：将原料先在电弧炉内熔融，冷却凝固后再粉碎 成各种大小的颗粒。
目的是使原料活性降低、减少烧成收缩、减少易水化 原料的水化倾向。 二、粉碎 粉碎的任务是改变原料的颗粒度，为以后各道工序提 供所需的各种大小粒度的粉料。 作用（1）使原料高度细分散，粒度分布恰当，有利于 成型；（2）使颗粒之间的接触面增大，有利于固相反 应和烧结；（3）降低烧成温度；（4）使组分均匀； （5）有利于杂质的去除。 常用的粉碎设备是旋转式球磨机、振动球磨机、气流 粉碎机。
氧化锆、石英、氧化镁等制品的制造工艺
第六章 难熔化合物制品的制造工艺
碳化物、氮化物、硅化物和硼化物制品的制造工艺
第七章 金属陶瓷
氧化铝、氧化镁等金属陶瓷
第八章 高温无机涂层
各种喷涂工艺（高温熔烧、火焰、等离子体喷涂等）
第九章 纤维及纤维增强材料
氧化铝和氧化锆
氧化铝和氧化锆氧化铝和氧化锆是两种常见的无机化合物，它们在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。
本文将分别介绍氧化铝和氧化锆的特性、制备方法、物理化学性质以及应用领域。
一、氧化铝1. 特性：氧化铝，化学式为Al2O3，是一种白色结晶性粉末，具有高熔点、高硬度和优良的绝缘性能。
它在自然界中以矾土矿石的形式存在。
2. 制备方法：氧化铝可以通过多种方法制备，常见的方法有热分解法、溶胶-凝胶法和氢氧化铝烧结法。
其中，热分解法是最常用的制备方法之一，通过加热铝盐类化合物使其分解生成氧化铝。
3. 物理化学性质：氧化铝具有高熔点（约2050℃）、高硬度和优良的绝缘性能。
它是一种无毒、无味、无臭的化合物，不溶于水和酸，但可以与碱反应生成相应的盐类。
氧化铝具有良好的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，因此在工业中被广泛应用。
4. 应用领域：氧化铝具有很多重要的应用领域。
首先，它是制备金属铝的重要原料，在铝电解和铝冶炼过程中起着重要作用。
其次，氧化铝是一种优良的绝缘材料，广泛应用于电子、电气和通信领域。
此外，氧化铝还可以用作催化剂、填料和耐火材料等。
二、氧化锆1. 特性：氧化锆，化学式为ZrO2，是一种白色结晶性粉末，具有高熔点、高硬度和优良的化学稳定性。
它在自然界中主要以锆石的形式存在。
2. 制备方法：氧化锆可以通过多种方法制备，常见的方法有煅烧法、水热法和溶胶-凝胶法。
其中，煅烧法是最常用的制备方法之一，通过高温处理锆矿石或锆化合物使其转化为氧化锆。
3. 物理化学性质：氧化锆具有高熔点（约2700℃）、高硬度和优良的化学稳定性。
它是一种无毒、无味、无臭的化合物，不溶于水和大多数溶剂。
氧化锆具有良好的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，因此在工业中有广泛应用。
4. 应用领域：氧化锆具有很多重要的应用领域。
首先，它是制备金属锆的重要原料，在核能、航空航天等高技术领域有广泛应用。
其次，氧化锆是一种优良的结构陶瓷材料，广泛应用于陶瓷制品、磨料和涂料等。
氧化铝掺杂到氧化锆形成的缺陷的化学式
氧化铝掺杂到氧化锆形成的缺陷的化学式《氧化铝掺杂到氧化锆形成的缺陷的化学式》同学们，今天咱们来聊聊一个有点复杂，但特别有趣的化学话题——氧化铝掺杂到氧化锆形成的缺陷的化学式。
听起来是不是有点晕？别担心，咱们一步一步来，就像搭积木一样。
首先呢，咱们得知道氧化锆（ZrO₂）和氧化铝（Al₂O₃）本身的结构。
氧化锆里面的锆（Zr）和氧（O）就像小伙伴一样，它们之间是通过化学键连接在一起的。
这个化学键啊，就好比是原子之间的小钩子。
在氧化锆里，锆原子和氧原子之间有离子键，就像带正电和带负电的原子像超强磁铁般吸在一起。
那氧化锆的结构呢，就像一个小城堡，锆原子和氧原子按照一定的规则排列着。
氧化铝也类似，铝（Al）原子和氧原子之间也是通过化学键连接的。
不过这里面既有离子键的成分，也有共价键的成分。
共价键就像是原子共用小钩子连接，大家一起分享，很和谐。
当氧化铝掺杂到氧化锆里面的时候，就会产生一些缺陷。
这就好比一个原本很整齐的方阵（氧化锆的结构），突然进来了一些不同的小士兵（氧化铝中的铝和氧原子），打乱了原来的秩序。
咱们来说说这个缺陷到底是怎么回事。
在正常的氧化锆晶体结构里，每个锆原子都有自己的位置和和它连接的氧原子。
但是氧化铝掺杂进去后，会占据一些原本属于锆或者氧的位置，或者是挤在它们中间，这样就破坏了原来完美的结构，形成了缺陷。
那这个过程和化学平衡又有什么关系呢？咱们把化学平衡比作拔河比赛。
在这个氧化锆和氧化铝混合的体系里，原来氧化锆有自己的平衡状态，就像拔河比赛两队人（反应物和生成物）势均力敌的时候，正逆反应速率相等、浓度不再变化。
但是氧化铝的加入就像是突然来了几个新队员，这个平衡就被打破了。
就好比拔河比赛中一方突然加了几个人，原来的平衡就不存在了，整个体系就要重新调整，直到达到新的平衡。
再说说分子的极性这个概念在这里的体现。
虽然氧化锆和氧化铝不是分子，但是我们可以类比一下。
咱们就说水（H₂O）这种极性分子，水就像一个小磁针，氧一端像磁针南极带负电，氢一端像北极带正电。
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透明氧化铝陶瓷的烧成温度较高,一般在1750 ℃～1850 ℃左右,并且须要在氢气或 真空条件下烧成。由于真空炉一般为间断操作,不能连续生产,所以都采用氢气氛烧成。 氢的原子半径小,扩散速度快,气孔容易从坯体中排除而形成高透明体陶瓷。
残留的塑化剂或者环境坩锅以及加热元件等引入的微量杂质都有可能导致 其透明性降低。因此要严格控制其烧结条件和周围环境的纯净。
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Mo－Mn 烧结法
W、Mo等难熔金属与氧化铝热膨胀系数接近，相差仅2-3×10-6，具有良 好的热稳定性。其烧结性能也与氧化铝接近，相互适应性良好。
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氧化铝陶瓷烧结时通过扩散完成材料的致密化过程，由于氧化铝陶瓷具有较强 的离子键，从而导致其质点扩散系数低（Al3+ 在1700℃时扩散系数仅10-11cm/s）、烧 结激活能大，因此在烧结时需要较高的烧结温度。通常，采用2 条途径来降低其烧结温 度. 1、通过改进粉体制备工艺以获得超细颗粒、无团聚、以及分散均匀的具有良好 烧结活性的粉体，来达到促进材料致密化的目的。然而这些方法目前常局限于实验室 范围内，原因是制备工艺复杂，同时制备成本较高。 2、引人适量的烧结助剂，即在材料中添加合适的外加剂，通过与基体生成液相 或固溶体, 加强扩散, 以达到促进材料致密化并降低烧结温度的目的，这种方法在陶瓷 领域的工业生产中被广泛采用。
TZP PSZ FSZ
7.3.2.1 氧化锆晶体结构与相结构
m-ZrO2 (5.65) 1000℃ t-ZrO2(6.10) 2370℃ c-ZrO2(6.27)
2000
C
T 1000
99％ZrO2 1950℃预烧
T+C
M
M+C
1000
1200
图7.3 ZrO2的差热分析曲线
图7.4 ZrO2－Y2O3二元相图 NPU NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
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生产方法 连续等静压，连续推进式高温钼丝炉氢气条件下烧结
烧结温度：1700-1900℃
二次烧结法： Al2O3粉末中加入0.1-0.5％的MgO 1000-1700℃氧化气氛中烧结1小时
真空或者氢气气氛中1700-1950℃烧结
中的显微结构稳定剂。
单独添加MgO 能抑制Al2O3晶粒的生长，而大部分添加剂（如TiO2、SiO2、
CaO等). 则能诱导氧化铝晶粒在特定方向上的快速生长，形成板状或片状的晶粒；
添加剂La2O3Na2O通过诱导氧化铝晶粒异向生长，同时在晶界处形成板状或者棒状 YTECHNICAL UNIVERSITY
H2
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纯度越高透光率越高 使用高纯氧化铝 99.9%以上
制备透明氧化铝的主要原料为的高纯氧化铝粉, 辅助外加 少量的MgO和Y2O3等。
气孔率越低透光率越高 在真空或氢气中烧结 晶粒过度长大易包裹气体 添加剂控制晶粒长大： 但是不宜过多，否则异 MgO 相增加，降低透光率
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添加剂降低烧结温度
烧结时按照不同的原料配方可能出现固体烧结或液相烧结
加入烧结添加剂改善烧结性能，降低烧结温度. 与Al2O3形成固溶体的添加剂：TiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2等，与Al2O3 具有相近的晶格参数，同时也是变价氧化物，由于变价作用，使Al2O3内 部产生晶体缺陷，活化晶格，促进烧结。
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烧结是基于在表面张力作用下的物质迁移而实现的。高温氧化物较难烧结, 其中 一重要原因在于它们有较大的晶格能和较稳定的结构状态, 质点迁移需要较高的活化 能, 即活性较低。采用晶粒小、比表面积大、表面活性高的单分散超细Al2O3 粉料, 由 于颗粒间扩散距离短,仅需较低的烧结温度和烧结活化能。
生成液相的添加剂：
粘土或高岭土以及碱土金属碳酸盐、SiO2、CaO、MgO或硅酸盐之类。 一般是含有滑石、粘土、白云石等的氧化镁、氧化钙、二氧化硅等复 合氧化物，因为含有碱金属的物质会降低电性能，所以不大使用。
在较低温度下产生液相．如果没有液相存在，氧化铝的烧结则是 属于原子(离子)级物质迁移的扩散机理进行的。 如果生成液相，则由属于液相移动的粘滞流动机理支配烧结。液相出 现时，迅速发生致密化，其速度由液相粘度、生成量、氧化铝粒子的 润湿性和粒径所决定。 将通常的拜尔氧化铝烧结时，需要l 900℃左右的高温，但如加入烧 结助剂，则可将烧结湿度降至l 550℃左右。（原理？方法？重要！）
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Al2O3
结构紧密，活性低，高温稳定， 电学性能好，良的机电性能。 氧离子做六方密堆，铝离子填 充于2/3的八面体间隙内（刚玉 结构）。
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典型配方：
α2Al2O3
99. 5 % ,
Y2O3
0. 2 % ,
La2O30. 1 % , MgO ZnCl2 0. 1 % , 0. 1 %。
配方中0. 2 %Y2O3 、0. 1 % La2O3 和0. 1 % MgO 用1 %～3
%(重量百分比浓度) 的硝酸盐引入。
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烧成制度如下: 室温～400 ℃， 100 ℃/ 小时; 400 ℃～1600 ℃， 50 ℃～80 ℃/ 小时; 1600 ℃～1800 ℃， 20 ℃～40 ℃/ 小时; 1800 ℃， 2 小时; 1800 ℃～1200 ℃， 300 ℃/ 小时; 1200 ℃～400 ℃， 150 ℃/ 小时; 400 ℃～室温， 50 ℃/ 小时。
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气氛的 影响 烧结温度：1650-1950℃ 气氛对影响较大 氧化铝的烧结是负离子 扩散为主的烧结机理。 低氧分压有利于 烧结致密化及提 高速率。 也有研究表明氩 气的影响最好。 时间 体积密度 Ar 空气 水蒸气
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CO+H2
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MgO 与Al2O3 在高温下可发生固相反应, 在晶界上形成尖晶石(MgO· 2O3) 薄 Al 层, 包裹在Al2O3 晶粒的表面, 使Al2O3 晶粒之间的质点扩散受到抑制, 阻碍Al2O3 晶 粒的长大, 获得大小均匀的等轴状晶粒, 使微观结构细晶化,MgO 是Al2O3 烧结过程
氧化铝主要晶型及其性质 β Al2O3
一种Al2O3含量很高的多铝酸盐矿物：
RO· 2O3和R2O· 2O3。 6Al 11Al 由碱金属或碱土金属离子如[NaO]－层和 [A11O12]＋类型尖晶石单元交叠堆积而成，氧 离子排列成立方密堆积，Na＋完全包含在垂 直于C轴的松散堆积平面内，在这个平面内 可以很快扩散，呈现离子型导电。
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加入TiO2、ZrO2、Cr2O3与其形成固溶体。
添加TiO2 1％（O2）
2.8 2.6
由于添加四价的钛、二价的锰可以明显地促成 烧结。
添加MnO 1％（O2）
2 4 3 钛在氢气氛中烧成，则四价钛离子部分被还 原为三价，烧结性减小。
Mo
玻璃和微晶 100％Al2O3
（重要！！） 如果只使用Mo粉在氧化铝瓷表面烧结，虽然Mo 与Mo、 Mo
与氧化铝之间有一定的烧结，但是烧结层疏松多孔，强度与气密性不满足要求， 如果在Mo粉中加入20％MnO，则与氧化铝反应生成MnAl2O4， MnAl2O4具有
尖晶石结构，可粘附于氧化铝及Mo粒上，但是其流动性不好，仍然存在不少
等,其添加量一定要严格控制,否则会使异相(尖晶石) 增加,反而会降
低制品的透光率,降低制品的致密性,影响制品的其它性质。
在空气和惰性气体介质中烧结不能得到无气孔的材料,因为惰性气体残留 在气孔中并阻止其长大。在真空和氢气中伴随产生一些还原过程,即增加了材料 的缺陷,从而增加了烧结的速度和完全程度。真空烧结伴随着陶瓷除气。
TZP 稳定化氧化锆（FSZ）： 由于Y2O3加入量较高，使得相图中的 氧化锆完全处于立方相区，冷却后形成 PSZ
的共熔温度下降, 当达到一定极限, 就成为液相。
当以复合形式加入时, 必须有一种添加剂的阳离子和化合物的几何尺寸大于铝 离子, 而另一种阳离子和化合物的几何尺寸小于铝离子, 如MgO+SiO2、CaO+SiO2、 SrO+SiO2、BaO+SiO2、Na2O+SiO2 等就满足这种条件, 这时不但产生液相, 而且在 基体中产生具有平直晶粒的片状晶体, 对提高制品的性能有很大作用。但缺点是加 入此类添加剂会导致制品内部晶粒长大, 且存在玻璃相, 使材料的高温强度、抗弯强 度降低。
烧结密度（g/cm3）
2.4
2.2
1
2.0
如果添加与铝等价的铬、铁等，则促进 烧结能力较小．这可能是因为即使固溶，也 不能使空位增加所致。
1000
1200
1400
烧结温度（℃）
不添加（O2）
NPU
添加剂、气氛对烧结性的影响 添加TiO2 1％（H2）