氧化鋯陶瓷

氧化鋯陶瓷，ZrO2陶瓷，Zirconia Ceramic具有熔點和沸點高、硬度大、常温下為絕緣體、而高温下則具有導電性等優良性質。

世界上已探明的鋯資源約為1900萬噸，氧化鋯通常是由鋯礦石提純製得。在常壓下純ZrO2共有三種晶態：單斜(Monoclinic)氧化鋯(m-ZrO2)、四方氧化鋯(t-ZrO2)和立方(Cubic)氧化鋯(c-ZrO2)，上述三種晶型存在於不同的温度範圍，並可以相互轉化：

温度　 密度

單斜(Monoclinic)氧化鋯(m-ZrO2)　 ＜950℃　 5.65g/cc

四方(Square)氧化鋯(t-ZrO2)　 1200-2370℃　 6.10g/cc

立方(Cubic)氧化鋯(c-ZrO2) ＞2370℃ 6.27g/cc

上述三種晶態具有不同的理化特性，在實際應用為獲得所需要的晶形和使用性能，通常加入不同類型的穩定劑製成不同類型的氧化鋯陶瓷，如部分穩定氧化鋯(partially stabilized zirconia，PSZ)，當穩定劑為CaO、 MgO、Y2O3時，分別表示為Ca-PSZ、 Mg-PSZ、 Y-PSZ等。由亞穩的t- ZrO2組成的四方氧化鋯稱之為四方氧化鋯多晶體陶瓷(Square zirconia polycrysta，TZP)。當加入的穩定劑是Y2O3 、CeO2，則分別表示為Y-TZP、Ce-TZP等。

氧化鋯陶瓷的生產要求製備高純、分散性能好、粒子超細、粒度分佈窄的粉體，氧化鋯超細粉末的製備方法很多，氧化鋯的提純主要有氯化和熱分解法、鹼金屬氧化分解法、石灰熔融法、等離子弧法、沉澱法、膠體法、水解法、噴霧熱解法等。粉體加工方法有共沉澱法、溶膠一凝膠法、蒸發法、超臨界合成法、微乳液法、水熱合成法網及氣相沉積法等。

氧化鋯陶瓷的成型有幹壓成型、等靜壓成型、注漿成型、熱壓鑄成型、流延成型、注射成型、塑性擠壓成型、膠態凝固成型等。其中使用最廣泛的是注塑與幹壓成型。

注漿成型的成型過程包括物理脱水過程和化學凝聚過程，物理脱水通過多孔的石膏模的毛細作用排除漿料中的水分，化學凝聚過程是因為在石膏模表面CaSO4 的溶解生成的Ca2+提高了漿料中的離子強度，造成漿料的絮凝。在物理脱水和化學凝聚的作用下，陶瓷粉體顆粒在石膏模壁上沉積成型。注漿成型適合製備形狀複雜的大型陶瓷部件，但坯體質量，包括外形、密度、強度等都較差，工人勞動強度大且不適合自動化作業。

熱壓注成型是在較高温度下（60~100℃）使陶瓷粉體與粘結劑（石蠟）混合，獲得熱壓鑄用的料漿，漿料在壓縮空氣的作用下注入金屬模具，保壓冷卻，脱模得到蠟坯，蠟坯在惰性粉料保護下脱蠟後得到素坯，素坯再經高温燒結成瓷。熱壓注成型的生坯尺寸精確，內部結構均勻，模具磨損較小，生產效率高，適合各種原料。蠟漿和模具的温度需嚴格控制，否則會引起欠注或變形，因此不適合用來製造大型部件，同時兩步燒成工藝較為複雜，能耗較高。

流延成型是把陶瓷粉料與大量的有機粘結劑、增塑劑、分散劑等充分混合，得到可以流動的粘稠漿料，把漿料加入流延機的料斗，用刮刀控制厚度，經加料嘴向傳送帶流出，烘乾後得到膜坯。此工藝適合製備薄膜材料，為了獲得較好的柔韌性而加入大量的有機物，要求嚴格控制工藝參數，否則易造成起皮、條紋、薄膜強度低或不易剝離等缺陷。所用的有機物有毒性，會產生環境污染，應儘可能採用無毒或少毒體系，減少環境污染。 ^[1] 

除了以幹壓為基礎的成型技術外，其它工藝成型的產品都要進行脱脂排膠處理後方可入爐燒結，因為除幹壓成型外的其它工藝會在成型時在鋯粉里加入一定比例的塑化劑，這些塑化劑在產品成型後就必須去除，不然會對燒結出的產品造成嚴重的品質影響。塑化劑主要為石蠟及其它高分子材料所構成，要求這些材料在一定温度下表現出具有很好的塑性與流動性，常温下則要有一定的韌性及強度。

氧化鋯陶瓷可採用的燒結方法通常有： ⑴無壓燒結，⑵熱壓燒結和反應熱壓燒結，⑶熱等靜壓燒結（HIP），⑷微波燒結， ⑸超高壓燒結， ⑹放電等離子體燒結（SPS），⑺原位加壓成型燒結等。常以無壓燒結為主。

在結構陶瓷方面，由於氧化鋯陶瓷具有高韌性、高抗彎強度和高耐磨性，優異的隔熱性能，熱膨脹係數接近於鋼等優點，因此被廣泛應用於結構陶瓷領域。主要有：Y-TZP磨球、分散和研磨介質、噴嘴、球閥球座、氧化鋯模具、微型風扇軸心、光纖插針、光纖套筒、拉絲模和切割工具、耐磨刀具、服裝紐扣、錶殼及錶帶、手鍊及吊墜、滾珠軸承、高爾夫球的輕型擊球棒及其它室温耐磨零器件等。

在功能陶瓷方面，其優異的耐高温性能作為感應加熱管、耐火材料、發熱元件使用。氧化鋯陶瓷具有敏感的電性能參數，主要應用於氧傳感器、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）和高温發熱體等領域。ZrO2具有較高的折射率（N-21^22），在超細的氧化鋯粉末中添加一定的着色元素（V2O5, MoO3, Fe2O3等），可將它製成多彩的半透明多晶ZrO2材料，像天然寶石一樣閃爍着絢麗多彩的光芒，可製成各種裝飾品。另外，氧化鋯在熱障塗層、催化劑載體、醫療、保健、耐火材料、紡織等領域正得到廣泛應用。

氧化鋯是一種特殊的材料，增韌的方法，主要是利用氧化鋯的相變才能達到的！

純淨的氧化鋯是白色固體，含有雜質時會顯現灰色或淡黃色，添加顯色劑還可顯示各種其它顏色。純氧化鋯的分子量為123.22，理論密度是5.89g/cm3，熔點為2715℃。通常含有少量的氧化鉿，難以分離，但是對氧化鋯的性能沒有明顯的影響。氧化鋯有三種晶體形態：單斜、四方、立方晶相。常温下氧化鋯只以單斜相出現，加熱到1100℃左右轉變為四方相，加熱到更高温度會轉化為立方相。由於在單斜相向四方相轉變的時候會產生較大的體積變化，冷卻的時候又會向相反的方向發生較大的體積變化，容易造成產品的開裂，限制了純氧化鋯在高温領域的應用。但是添加穩定劑以後，四方相可以在常温下穩定，因此在加熱以後不會發生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應用範圍。市場上用來做穩定劑的原料主要是氧化釔。