氧化锆

成都信息工程学院

应用电子设计报告

课程名称：应用电子设计

系部：光电技术学院

专业班级：应用物理082班

学生姓名：罗远、刘耀、高军、汪洋、范家勇学号：2008033069、2008033070、

2008033071、2008033072、

2008033074

指导教师：丁迎春

完成时间：2011- 6-26

二氧化锆

概述

氧化锆(ZrO2)自然界的氧化锆矿物原料，主要有斜锆石和锆英石。锆英石系火成岩深层矿物，颜色有淡黄、棕黄、黄绿等，比重4．6—4．7，硬度7．5，具有强烈的金属光泽，可为陶瓷釉用原料。

化学式：ZrO2

相对分子质量： 123.22

性状：白色重质无定形粉末或单斜结晶。无臭。无味。在1100℃以上形成四方晶体，在1900℃以上形成立方晶体。一般常含有少量二氧化铪，与碳酸钠共熔生成锆酸钠，锆酸钠遇水能水解成氢氧化钠和几乎不溶于水的氢氧化锆。溶于2份硫酸和1份水的混合液中，微溶于盐酸和硝酸，慢溶于氢氟酸，几乎不溶于水。相对密度 5.85。熔点2680℃。沸点4300℃。折光率 2.2。半数致死量(小鼠，腹腔)37mg/kg。有刺激性。

储存：密封保存。

用途：白热煤气灯罩、搪瓷、白色玻璃、耐火坩埚等的制造。X 射线照相。研磨材料。与钇一起用以制造红外线光谱仪中的光源灯。

性能：二氧化锆具有熔点和沸点高、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。二氧化锆有3中晶型，属于多晶相转化物。稳定的低温相为单斜相；高于1000°时，四方相逐渐形

成；高于2370°时，转变为立方晶相。氧化锆熔点2700℃，莫氏硬

度7，有两种变体，1000℃以下为单斜晶系(密度5．68g/cm3)，1000℃

时生成四方晶系(密度6．10g/cm3)，此晶型转变为可逆转变，冷却

过程中晶型转化时伴有7%的体积膨胀，可导致制品开裂。加入稳定

剂与Zr02生成立方晶系固溶体，可消除由上述晶型转化带来的体积

膨胀。氧化锆热导率低(1000℃，2．09W/(m·K))，线膨胀系数大(25～

1500℃ 9．4×10-6/℃)，高温结构强度高，1000℃时耐压强度可达

1200～1400MPa。导电性好，具有负的电阻温度系数，电阻率1000℃

时104Ω·cm，1700℃时6～7Ω·cm。化学稳定性好，2000℃以下对

多种熔融金属、硅酸盐、玻璃等不起作用。苛性碱、碳酸盐和各种酸

(浓硫酸和氢氟酸除外)的溶液与氧化锆不起作用。

分子结构

通过对##软件的了解，画出二氧化锆的结构图：

Structured Zr O2

Unit Cell 5.5873(2) 6.4847(2) 3.3298(1) 90. 90. 90.

Space Group P n a m

SG Number 62

Atom # OX SITE x y z Zr 1 +4 4 c 0.2459(2) 0.1108(1) 0.25

O 1 -2 4 c 0.3599(2) 0.4248(2) 0.25

O 2 -2 4 c 0.0250(2) 0.3388(2) 0.75

对于纯氧化锆，化学计算的立方氧化锆是高温相，存在于

2377-2710℃之间,它的晶体结构是立方萤石型结构，空间群是Fm3m，晶胞参数a约等于0.515nm 。

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。

添加阳离子半径比Zr4+大或比Zr4+小，填充和弥散于大的阳离子之中，形成填充式固溶体(或弥散固溶体)。氧化锆稳定的程度与添加阳离子的种类、数量、离子半径和价数有直接的关系。有些氧化物与氧化锆能完全形成固溶体(如ZrO2一Y203)。但有些阳离子氧化物与氧化锫不完全都形成固溶体，而是部分形成固溶体、部分形成化台物(如ZrO2一Al2O3)。

用MgO稳定ZrO2时，在冷却至1400℃以下时。会重新分解为四方ZrO2和MgO。继续冷却至900℃时，分解出来的ZrO2仍然会向单斜ZrO2转变。所以MgO稳定的ZrO2不能在900～1400℃之间长时间加热，否则会失去稳定作用。稳定剂可单独使用，也可以混合使用(二元或三元)。多元的部分稳定氧化锆可以大大提高结构陶瓷的性能。

3、氧化锆的增韧

根据研究．四方相氧化锆具有增韧的特性。这是氧化锆作为结构陶瓷的理论依据，增韧的基本原理是四方相氧化话受外力(温度和应力>的影响，氧化锫从四方结构向单斟结构转变时产生效应，吸收破坏的能量，抑制裂纹的变化和延伸。此变化称为马氏体转变，起着增韧的作用。氧化错相变可分为烧成冷却过程中相变和使用过程中相变，前者是温度透导，后者是应力诱导。