氧化锆陶瓷

氧化锆陶瓷

-----2011级材料科班

2011 氧化锆陶瓷具有相变增韧和微裂纹增韧，所以有很高的强度和韧性，被誉为“陶瓷钢”，在所有陶瓷中它的断裂韧性是最高。具有优异的室温机械性能。在

此基础上，我们对氧化锆配方和工艺进行优化，获得了细晶结构的高硬度、高强

度和高韧性的氧化锆陶瓷。高硬度、高强度和高韧性就保证了氧化锆陶瓷比其它

传统结构陶瓷具有不可比拟的耐磨性。具有细晶结构的陶瓷通过加工可以获得很

低的表面粗糙度（<0.1u m）。因而减少陶瓷表面的摩擦系数，从而减少磨擦力，提高拉丝的质量（拉出的丝光滑无毛刺，且不易断丝）。氧化锆的这种细晶结构

具有自润滑作用，在拉丝时会越拉越光。氧化锆陶瓷的弹性模量和热膨胀系数与

钢材相近，因而能有机的与钢件组合成复合拉线轮，不会因受热膨胀不一致而造

成损坏或炸裂。使用证明氧化锆陶瓷拉线轮是现代高速拉线机的理想配件。

氧化锆陶瓷是一种新型高技术陶瓷，它与传统的氧化铝陶瓷相比具有以下优点：

1、高强度，高断裂韧性和高硬度

2、优良的耐磨损性能

3、弹性模量和热膨胀系数与金属相近

4、低热导率。（及对比性能参数如表1）

表1 氧化锆陶瓷与普通陶瓷性能参数对比

1.氧化锆陶瓷原料

纯净的ZrO 2为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。氧化锆有三种晶相，分别为单斜晶相、四方晶相和立方晶相，三者之间的转变关系如下

1.1氧化锆粉末的制备

常压下纯的氧化锆有三种晶型，低温为单斜晶系，密度 5.65g/cm3， 高温为四方晶系， 密度6.10g/cm3，更高温度下为立方晶系，密度6.27g/cm3，其相互间的转化关系如下：

熔体立方四方单斜−−→−−−→−−−→−︒︒︒C

C C O O O 271522370211702Zr Zr Zr

单斜、四方、立方晶系3种

1170 ℃ 2370 ℃ 2715 ℃ m -ZrO 2 ⇔ t -ZrO 2 ⇔ c -ZrO 2 ⇔ liq-ZrO 2 d = 5.65 6.10 6.27 g/cm 3 m -ZrO 2 → t -ZrO 2 T=~1200 ℃ m -ZrO 2 ← t -ZrO 2 T=~1000 ℃ 3~5%的体积膨胀和7~8%的切应变 ↓

稳定ZrO 2 ←稳定剂←微裂纹 Y 2O 3，CaO ，MgO et al.

天然ZrO2 和用化学法得到的ZrO2 属于单斜晶系。单斜晶型与四方晶型之间的转变伴随有7% 左右的体积变化。加热时由单斜ZrO2 转变为四方ZrO2，体积收缩，冷却时由四方ZrO2 转变为单斜ZrO2，体积膨胀。但这种收缩与膨胀并不发生在同一温度，前者约在1200℃，后者约在1000℃。由于晶型的转变产生体积变化，会造成开裂，故单纯的氧化锆陶瓷很难生产，通过实践发现加入适量的晶型稳定剂CaO 、MgO 、Y2O3、CeO2 等和其他稀土氧化物，可以使ZrO2 相变温度降低至室温以下，使高温稳定的四方和立方氧化锆在室温也能以稳定或亚稳定形式存在，形成无异常膨胀、收缩的立方、四方晶型的稳定氧化锆（FSZ ）和部分稳定氧化锆（PSZ ）。

氧化锆中随着稳定剂加入量的不同，会产生不同晶型的氧化锆，相变过程中由于体积和形状的改变，能够吸收能量，减少裂纹尖端应力集中，阻止裂纹扩展，提高陶瓷材料的韧性，从此氧化锆相变增韧陶瓷的研究和应用得到了迅速的发展，主要有三种类型：部分稳定氧化锆陶瓷；四方氧化锆多晶体陶瓷；氧化锆增韧陶瓷。

1.2微粉制备

目前使用 ZrO 微粉，颗粒尺寸一般在1-88um之间。工业上生产微粉常用机械研磨法，原理如下：

块状原料→粉碎(一般使用流化床气流磨)→磁选→清洗→干燥→筛分→包装。需要注意的是在细磨阶段要防止介质对原料的污染，一般研磨介质用ZrO2和ZTA。

1.3 超细粉制备

超细粉末的粒径一般为10—100nm之间，由于具有一系列优异的性质(如表面效应、小尺寸效应、量子效应、隧道效应等)，目前已经成为高科技的前沿和重点。ZrO 超细粉末的制备方法很多包括物理方法和湿化学方法如化学共沉淀法、水热法、气相沉积法和气相热分解法等。

1.3.1化学共沉淀法

a、中和沉淀法

利用碱液从氯氧化锆(ZrOC1 )盐溶液中沉淀出含水氧化锆：

ZrOC1

2 + 2NH

4

0H+ (n+1)H

2

0=Zr(OH)

4

·nH

2

0 + 2NH

4

C1

工艺流程为：

ZrOC1

2·8H 20 用H

2

O溶解→用NH

4

OH溶液中和滴定→过滤→洗涤→100一

120℃干燥→800℃下煅烧lh →ZrO2

一般ZrOC1

2·8H

2

O 浓度可控制在0.25-0.4mol/L;浓度大时,产量大,但固液

分离困难。沉淀容易包裹并吸附杂质。沉淀PH值在8—9之间为宜,温度可控制在60—80℃之间，太低时，胶体沉淀体积大，杂质吸附严重，造成过滤、洗涤困难；偏高时，将使沉淀和溶解这一动态平衡加速，可能使凝胶晶化。

b、水解沉淀法

采用长时间的沸腾氯氧化锆溶液使水解生成的氯化氢不断蒸发出去从而使如下水解反应平衡不断向右移动。

ZrOCl

2 + (n+3)H

2

O=Zr(OH)

4

·nH

2

0 + 2HC1

工艺流程为：

Zrocl

2·8H

2

O→沉淀50h→过滤→洗涤→100℃下水解沉淀50h→过滤→洗

涤→110-110℃干燥→粉碎→850℃下煅烧0.5h→ZrO2

操作上与中和沉淀法大体相同，只是ZrOCl

2

浓度应控制小些，一般在0.2