氧化锆材料种类及应用

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生产与应用

文章编号：1001-9642（2008）04-0044-03

氧化锆材料种类及应用

任永国1，刘自强1，杨 凯2，周焕忠2，顾幸勇3

（1金陵科技学院珠宝首饰学院， 南京 210001；2北京晶莱陶瓷制品有限公司， 北京 101500；

3景德镇陶瓷学院， 景德镇 333000）

【摘 要】：论述了氧化锆的基本性能，并对氧化锆材料自问世以来被人类所利用的领域进行了详细的研究，发现目前除被广泛应用于传统领域耐火材料、结构材料、功能材料、宝石材料之外，正逐渐被装饰陶瓷所采纳，如彩色氧化锆陶瓷、陶瓷首饰等异军突起，成为装饰陶瓷领域的一支奇琶，倍受世人瞩目。

【关键词】：氧化锆，应用，装饰陶瓷

引 言

氧化锆是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损而且具有优良导电性能的无机非金属材料，20世纪20年代初即被应用于耐火材料领域，直到上世纪70年代中期以来，国际上欧美日先进国家竟相投入具资研究开发氧化锆生产技术和氧化锆系列产品生产,进一步将氧化锆的应用领域扩展到结构材料和功能材料，同时氧化锆也是国家产业政策中鼓励重点发展的高性能新材料之一，目前正广泛地被应用于各个行业中。

本文综述了氧化锆的基本性能及氧化锆材料的种类和应用，并对氧化锆材料的发展前景进行了展望。

1 氧化锆基本性能

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：

1170℃ 2370℃ 2715℃

单斜ZrO2 → 四方ZrO2 → 立方ZrO2 → 熔体

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

收稿日期:2008-3-10

作者简介：任永国（1980~），男，硕士，助教。主要从事无机材料教学、研究及科研成果转化工作。

44│中国陶瓷│CHINA CERAMICS│2008(44)第 4 期

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[1]。

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。

2 氧化锆应用领域

2.1 氧化锆耐火材料

氧化锆从20世纪20年代初就被应用 于耐火材料领域，直至今天在耐火材料领域仍然占有一席之地。

2.1.1氧化锆坩埚

如前所述氧化锆的熔点高达2700℃，即使加热到1900多摄氏度也不会与熔融的铝、铁、镍、铂等金属，硅酸盐和酸性炉渣等发生反应，所以用氧化锆材料制作的坩埚能成功地熔炼铂、钯、钌、铯等铂族贵金属及其合金，亦可用来熔炼钾、钠、石英玻璃以及氧化物和盐类等[4]。

2.1.2氧化锆耐火纤维

氧化锆纤维是唯一一种能够在1600℃以上超高温环境下长期使用的陶瓷纤维耐火材料，具有比氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维等更高的使用温度和更好的隔热性能，并且高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、不易挥发、无污染。这些优异特性决定了氧化锆纤维是一种顶尖的高档耐火纤维材由南京理工大学攻关的氧化锆纤维技术目前已经取得比较成熟的制备工艺。

2.1.3氧化锆窑炉材料

氧化锆作为耐火材料主要用在大型玻璃池窑的关键部位，早期使用的锆质耐火材料，其氧化锆含量仅为33%~35%, 日本旭硝子公司研制成功含氧化锆94%~95%的锆质耐火材料，将其使用在玻璃窑顶部和关键部位，大大提高了玻璃窑的寿命。

将氧化锆熔融、吹制后得到大小不同的氧化锆空心球，制备各种高级隔热砖，避免了陶瓷纤维老化后的粉尘污染问题，主要生产厂家有洛阳耐火材料研究院和山东第二耐火材料厂。

2.2 氧化锆结构陶瓷

（FSZ）和部分稳定氧化锆（PSZ）