國內外研究現狀和發展動態
早在1789年德國化學家克拉普羅特就從寶石中提煉出了氧化鋯,但直到20世紀20年代才應用于耐火材料。此后相繼在燃氣材料,著色及磨料中得到應用。
20 世紀70 年代中期以來,美國和日本等發達國家相繼投入巨資研究氧化鋯陶瓷的生產技術。在1973年美國R.Zechnall,G.Baumarm,H.Fisele制得了氧化鋯電解質傳感器,1980年氧化鋯在美國廣泛應用于鋼鐵。而日本絕緣子公公司更是和美國一家發動機公司合作,研究和開發了氧化鋯陶瓷。而且據調查。應用了氧化鋯制作多孔氧傳感器是日本汽車一舉打入美國市場的重要原因。
1975年,澳大利亞RG.Garvie以氧化鈣為穩定劑制得部分穩定氧化鋯陶瓷,并首次利用氧化鋯馬氏體相變增韌的效應,提高了氧化鋯陶瓷的韌性和強度,極大的拓展了氧化鋯陶瓷在結構陶瓷中的應用。
氧化鋯陶瓷由于其良好的絕熱性是美國絕熱發動機必不可少的一部分。除美國外,日本,德國等其他一些技術發達的國家用韌性的氧化鋯陶瓷制作發動,航空發動機的散熱葉片等。
彩色氧化鋯陶瓷由于其強度大,顏色比較鮮艷,耐磨損,不易氧化等優點被用作餐刀,剪刀,手術刀等的主要原料,在歐美,韓國等深受歡迎。
除此之外,彩色氧化鋯陶瓷在國外一個最重要的應用領域就是生物陶瓷材料——氧化鋯烤瓷牙。氧化鋯材質的烤瓷牙沒有金屬內冠層,牙齒透明度好,光澤度好,避免了牙齒過敏和牙齦黑線等問題,具有足夠好的遮色能力,能夠很好的滿足患者的需求。
而我國是從90 年代開始進行氧化鋯陶瓷的開發、生產和研究工作,進入21 世紀后,我國的氧化鋯陶瓷研發取得世界矚目的進展。
目前我國彩色氧化鋯陶瓷的發展不平衡,像藍色,黑色,白色等顏色的氧化鋯陶瓷制備工藝比較成熟,例如藍色,我國是用氧化鈷和氧化鋁形成鈷鋁結晶石,而鈷鋁結晶石顯藍色的方法制備藍色氧化鋯陶瓷的。又如黃色,以鐠鋯黃色料為著色劑,添加少量燒結助劑,發色離子與燒結助劑形成固溶體,高溫下燒結,制備出穩定的黃色氧化鋯陶瓷,且已應用于實際生產。。小米公司在2016年2月推出的的使用氧化鋯陶瓷機身的小米五,其具有優良的耐磨性,耐腐蝕性以及優越的機身強度,在中國市場上持續火爆,而且目前藍思科技也投入了大量的研究經費用于研制高性能彩色氧化鋯作為其電子產品的機身。
但是紅色特別是中國紅氧化鋯陶瓷的研究仍然留有很大的空白。目前國內都是在陶瓷材料中加入顏料或色料如硫化鎘和硫硒化鎘來制備紅色氧化鋯陶瓷,但是由這種方式形成的紅色在高溫下極其不穩定,且顯色多為淺色。以目前的生產工藝不足以制造出更深一點的紅色氧化鋯陶瓷。
目前生產中應用最廣泛的是氧化釔穩定的氧化鋯陶瓷(3Y-ZDP),其擁有高韌性,高抗彎強度和高耐磨性,優異的隔熱性能,熱膨脹系數接近于鋼,因此被廣泛應用于結構陶瓷領域。
以氧化釔穩定四方多晶氧化鋯粉為原料,硝酸錳/硝酸鋁為著色劑,聚乙二醇為分散劑,采用非均沉淀法通過調節氧化鋯懸浮液的pH值使錳鋁的氫氧化物沉淀至氧化鋯基體表面,形成具有核殼結構的復合粉體,經冷等靜壓成型后在1450℃保溫2h燒結得到結構致密,氣孔較少,晶粒細小,尖晶石相均勻分散在氧化鋯基體中的黑色氧化鋯陶瓷。
以添加了Y203的穩定Zr02為主要原料,以A1203,Si02等為增韌劑.以NH4V03,V205,CO(N03)2,CO203等為著色劑,球磨混合后采用干壓成型法成型,二次燒結法制成陶瓷。通過陶瓷的性能測試和結構分析,優選出黃、藍色系鈉米A1203增韌Zr02陶瓷機制的配方和工藝條件。
就目前而言,國內制備彩色氧化鋯陶瓷的方法中比較先進的是非均勻沉淀法。非均勻沉淀法是在分散好的氧化鋯基體懸浮液中,通過調節pH值使沉淀反應在基體表面進行,從而形成具有核殼結構的復合粉體,是制備包裹粉體的一種有效方法,這種方法可實現著色離子對氧化鋯顆粒的均勻包覆和混合;與機械混合法相比,能有效克服顆粒間的團聚,縮短燒結過程中著色離子反應的傳質距離并有效減少揮發,因而該法更易于制備出成色均勻穩定的彩色氧化鋯陶瓷。但生產出來的粉末顆粒形狀不規則,大小不均勻,雜質含量高。這是我國生產的氧化鋯粉體不能廣泛應用的最大障礙。
在技術含量較高的氧化鋯結構陶瓷方面,我國歷史發展較短,產品技術及質量整體水平較低,在國際市場競爭不強,就是因為粉料的性能不穩定,不能生產出性能優良的氧化鋯陶瓷。比較我國氧化鋯陶瓷與美國等發達國家氧化鋯陶瓷的發展發現,我國的氧化鋯陶瓷落后太多。而隨著人們生活水平的提高和生活進程的加速,人們對鋯制品的要求越來越高。并且隨著現代科學技術和測試技術的發展,人類對于氧化鋯的認識必將更進一步深入,氧化鋯定會以新的面貌出現,性能越來越高端,顏色越來越鮮艷,越穩定必然是一種趨勢。所以生產出一種性能優良,顏色穩定的紅色氧化鋯陶瓷對我國立足于國際陶瓷的市場顯得尤為重要。
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