鋯種類和特點
純ZrO為白色,含雜質時呈黃色或灰色,一般含有HfO,不易分離。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ZrO共有三種晶態:單斜(Monoclinic)氧化鋯(m-ZrO)、四方(Tetragonal)氧化鋯(t-ZrO)和立方(Cubic)氧化鋯(c-ZrO),上述三種晶型存在於不同的溫度範圍,並可以相互轉化。上述三種晶態具有不同的理化特性,在實際套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 。
粉體製備
氧化鋯陶瓷的生產要求製備高純、分散性能好、粒子超細、粒度分布窄的粉體,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 。
成型工藝
氧化鋯陶瓷的成型有乾壓成型、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乾壓成型。
(1)注漿成型
注漿成型的成型過程包括物理脫水過程和化學凝聚過程,物理脫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。在物理脫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。
(2)熱壓注成型
熱壓注成型是在較高溫度下(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,脫模得到蠟坯,蠟坯在惰性粉料保護下脫蠟後得到素坯,素坯再經高溫燒結成瓷。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。蠟漿和模具的溫度需嚴格控制,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。
(3)流延成型
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 。
套用
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,因此被廣泛套用於結構陶瓷領域。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、表殼及錶帶、手鍊及吊墜、滾珠軸承、高爾夫球的輕型擊球棒及其它室溫耐磨零器件等。
在功能陶瓷方面,其優異的耐高溫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,主要套用於氧感測器、固體氧化物燃料電池和高溫發熱體等領域。ZrO2具有較高的折射率,在超細的氧化鋯粉末中添加一定的著色元素(V2O5, MoO3, Fe2O3等),可將它製成多彩的半透明多晶ZrO材料,像天然寶石一樣閃爍著絢麗多彩的光芒,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套用 。