概述
以純度大於99%的氧化鋯(ZrO2)為原料,用高溫陶瓷工藝方法或其他特殊工藝方法製成的氧化物耐火材料。
純氧化鋯製品可以用制純氧化物製品的一般工藝方法制的。通常將ZrO2原料和穩定劑按一定配比在球磨機中共同濕磨至小於2um,然後經分離、乾燥、打粉製成團塊,並在1700度下預燒,使之穩定下來。再將穩定的固塊破碎和根據製品要求的性質濕磨到要求的細度。用注漿成型時,須將球磨機用鹽酸處理後,加蒸餾水清洗。清洗時加入0.3%(濃度為10%)的阿拉伯樹膠,作為顆粒清洗時的降沉劑,清洗至PH=6-7,經烘乾(水分小於0.15%時),即可配漿澆注。也可用酸性泥漿澆注成型,其PH=2,含水量28%-30%,小於5um的顆粒在90%為適宜。如用壓制方法成型時,須在製備好的一定顆粒和粉料的配料只加入粘結劑(磷酸、硼酸、糊精或Zr(OH)2等)製成坯料。成型後的磚坯經乾燥後在1700-2000度下燒成。
性能
氧化鋯熔點2700℃,莫氏硬度7,有兩種變體,1000℃以下為單斜晶系(密度5.68g/cm3),1000℃時生成四方晶系(密度6.10g/cm3),此晶型轉變為可逆轉變,冷卻過程中晶型轉化時伴有7%的體積膨脹,可導致製品開裂。加入穩定劑與Zr02生成立方晶系固溶體,可消除由上述晶型轉化帶來的體積膨脹。氧化鋯熱導率低(1000℃,2.09W/(m•K)),線膨脹係數大(25~1500℃ 9.4×10-6/℃),高溫結構強度高,1000℃時耐壓強度可達1200~1400MPa。導電性好,具有負的電阻溫度係數,電阻率1000℃時104Ω•cm,1700℃時6~7Ω•cm。化學穩定性好,2000℃以下對多種熔融金屬、矽酸鹽、玻璃等不起作用。苛性鹼、碳酸鹽和各種酸(濃硫酸和氫氟酸除外)的溶液與氧化鋯不起作用。
工藝氧化
鋯製品生產工藝包括:原料預處理、制粉、成型、燒結等工序。(1)原料預處理。氧化鋯原料必須進行穩定化預處理,通常採用的方法為固相合成法,即將氧化鋯原料加入一定比例的穩定劑(如CaO、MgO、Y203、Ce02等),在球磨機中濕磨到小於2um的細粉,經乾燥、打粉,製成團塊,在1700℃下煅燒,使之形成穩定型或半穩定型氧化鋯。預處理的方法還有常溫或高溫水解法、金屬有機化合物水解法、噴霧熱分解法和溶膠、凝膠法等。(2)制粉。將穩定化處理後的原料破碎、細磨至90%以上顆粒小於5um,其中60%~70%小於2um。(3)成型。成型方法可採用泥漿澆注法、機壓法、熱壓注法或熱等靜壓法。泥漿澆注法是將細磨後的原料用濃度為10%的鹽酸處理48h後,用蒸餾水清洗至pH=6~7,再經脫水、乾燥,配成中性泥漿澆注料,在石膏模中澆注成型;也可採用pH值為2的酸性泥漿澆注。機壓法是將一定比例的顆粒料和細磨料(一般顆粒料與細磨料比例為60%~70%比40%~30%)混合,加入結合劑(如磷酸、糊精、羧甲基纖維素等),製成坯料,在金屬模具內用壓力機成型,壓力一般為80~100MPa,或在彈性模套內用等靜壓機成型,壓力一般為100~250MPa。熱壓注法是將細粉與熱塑劑(石蠟和油酸)充分攪拌均勻後,在熱壓注機上成型,成型後的坯體需在高溫(1100℃左右)脫去石蠟等有機物。熱壓法是將細粉裝入石墨模具內,在熱壓機上同時加熱加壓,一般壓力為20~50MPa,最終溫度1400~1800℃。(4)燒結。乾燥後的坯體可在中性或氧化氣氛下燒結,燒結溫度一般為1800~1950℃。
用途
氧化鋯坩堝用於熔煉鉑、銠、銥等貴重金屬及合金。氧化鋯磚用於2000℃以上的高溫爐襯。氧化鋯棒體可作為發熱元件(見彩圖插頁第17頁),用於氧化氣氛下2000~2200℃的高溫爐。氧化鋯固體電解質可作為快速測定鋼液、銅液及爐氣中氧含量的測氧探頭及高溫燃料電池的隔膜等。利用氧化鋯的馬氏體相變,將氧化鋯引入氧化物和非氧化物陶瓷中,可作為增韌劑,以改善陶瓷的脆性,如氧化鋯增韌氧化鋁、氮化矽等。