《納米新材料應(yīng)用技術(shù)》 2013年02月第3期 王航
一、高純二氧化鋯性質(zhì)簡述  13305631332,   13305631650， qq:524915046
　　　高純二氧化鋯（VK-R50）為白色粉末。 熔點高達 2680℃, 導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、摩擦系數(shù)低, 化學(xué)穩(wěn)定性高, 抗蝕性能優(yōu)良, 尤其具有抗化學(xué)侵蝕和微生物侵蝕的能力。 大量用于制 造耐火材料、研磨材料、陶瓷顏料和鋯酸鹽等。 從結(jié)構(gòu)上看, 二氧化鋯由于其具有酸性和堿性表面中心, 因而是一種理想的酸基雙功能催化材料, 在催化領(lǐng)域 起重要作用。二氧化鋯還具有獨特的相變增韌性, 這使二氧化鋯陶瓷不僅強度高, 斷裂韌性也很大。 同時, 二氧化鋯具有高溫氧離子導(dǎo)電性, 這一點在氧傳感器中得以應(yīng)用。
　　　高純二氧化鋯有三種晶型〔1〕: 低溫為單斜晶系, 相對密 度為 5. 65g /cm3; 高溫為四方晶系, 相對密度為 6.10g/cm3更高溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄��? 相對密度為6.27g/cm3。
　　單斜氧化鋯（VK-R50）加熱到 1170℃時轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆窖趸��? 這 個 轉(zhuǎn) 變 速 度 很 快 并 伴 隨 7%～ 9% 的 體 積 收 縮。 但在冷卻過程中, 四方氧化鋯往往不在 1170℃轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毖趸��? 而在 1000℃左右轉(zhuǎn)變, 是一種滯后的轉(zhuǎn)變, 同時伴隨著體積膨脹。
　　二、二氧化鋯的發(fā)展歷程
　　　擁有一流納米、新材料產(chǎn)品，為客戶提供*優(yōu)質(zhì)服務(wù)。正是堅持這樣的目標，宣城晶瑞新材料有限公司推出超細高純納米二氧化鋯粉體VK-R50。
　　　自從1975年澳大利亞學(xué)者K.C.Ganvil首次提出利用Zr2O(VK-R50Y3)相變同時產(chǎn)生的體積效應(yīng)來達到增韌陶瓷的新概念以來，對ZrO2陶瓷用作結(jié)構(gòu)材料的研究就十分活躍，從相變結(jié)晶學(xué)、熱力學(xué)、增韌機理及材料制備系統(tǒng)與工藝等方面入手，企圖使ZrO2陶瓷材料或用ZrO2 (VK-R50Y3)增韌后的陶瓷發(fā)揮更大的效用。目前研究報導(dǎo)較多的材料系統(tǒng)并具有一定效果的有:部分穩(wěn)定氧化鋯(VK-R50Y3);多晶四方ZrO2 (VK-R50Y5);氧化鋯增韌氧化鋁(VK-L30);氧化鋯增韌莫來石(ZTM);增韌Si3N4、SiC及超塑性氧化鋯等幾方面，其他增韌ALN、堇青石、尖晶石等亦有報導(dǎo)。由于ZrO2相變增韌使Al2O3、莫來石、SiN4、SiC的斷裂性能亦有不同程度的提高，Si3N4的材料Kic從4.8一5.8提高至7左右，Al2O3材料KiC。由4.5提高到9.8。為這些材料的進一步應(yīng)用提供了力學(xué)性能上的保證。
　　　早在1789年Klaproth就從寶石中提煉出了二氧化鋯，但直到本世紀40年代才作為燃氣燈罩應(yīng)用于工業(yè)中。此后，相繼在耐火材料、著色及磨料中得到應(yīng)用。近十年來，研制出了具有良好韌性及多功能性的新產(chǎn)品，因而陶瓷的應(yīng)用數(shù)量增加，所涉及到的領(lǐng)域也在不斷擴大。
　　　二氧化鋯（VK-R50）是一種耐高溫、耐腐蝕、耐磨損而且具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的無機非金屬材料，20世紀20年代初即被應(yīng)用于耐火材料領(lǐng)域，直到上世紀70年代中期以來，上歐美日國家竟相投入具資研究開發(fā)氧化鋯生產(chǎn)技術(shù)和氧化鋯系列產(chǎn)品生產(chǎn),進一步將氧化鋯的應(yīng)用領(lǐng)域擴展到結(jié)構(gòu)材料和功能材料，同時氧化鋯也是國家產(chǎn)業(yè)政策中鼓勵重點發(fā)展的高性能新材料，目前正廣泛地被應(yīng)用于各個行業(yè)中。
三、二氧化鋯的應(yīng)用
　　　1.二氧化鋯耐火材料
　　二氧化鋯從20世紀20年代初就被應(yīng)用于耐火材料領(lǐng)域，直至今天在耐火材料領(lǐng)域仍然占有一席之地。
　　　二氧化鋯坩堝
　　如前所述氧化鋯的熔點高達2700℃，即使加熱到1900多攝氏度也不會與熔融的鋁、鐵、鎳、鉑等金屬，硅酸鹽和酸性爐渣等發(fā)生反應(yīng)，所以用二氧化鋯（VK-R50Y3）材料制作的坩堝能成功地熔煉鉑、鈀、釕、銫等鉑族貴金屬及其合金，亦可用來熔煉鉀、鈉、石英玻璃以及氧化物和鹽類等。
　　　二氧化鋯耐火纖維
　　二氧化鋯（VK-R50）纖維是一種能夠在1600℃以上超高溫環(huán)境下長期使用的陶瓷纖維耐火材料，具有比氧化鋁纖維、莫來石纖維、硅酸鋁纖維等更高的使用溫度和更好的隔熱性能，并且高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕、抗氧化、不易揮發(fā)、無污染。這些優(yōu)異特性決定了二氧化鋯纖維是一種的高檔耐火纖維材。
　　　二氧化鋯窯爐材料
　　二氧化鋯（VK-R50）作為耐火材料主要用在大型玻璃池窯的關(guān)鍵部位，早期使用的鋯質(zhì)耐火材料，其氧化鋯含量僅為92%-95%,杭州萬景新材料有限公司研制成功含氧化鋯99.9%以上的鋯質(zhì)耐火材料，將其使用在玻璃窯頂部和關(guān)鍵部位，大大提高了玻璃窯的壽命。
　　將二氧化鋯（VK-R50）熔融、吹制后得到大小不同的氧化鋯空心球，制備各種高級隔熱磚，避免了陶瓷纖維老化后的粉塵污染問題。。
　　　2.氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷
　　1975年澳大利亞R.G.Garvie以氧化鈣為穩(wěn)定劑制得部分穩(wěn)定氧化鋯，并首次利用氧化鋯馬氏體相變增韌的效應(yīng)，提高了韌性和強度，極大的擴展了氧化鋯在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用。 
　　ZrO2增韌陶瓷實際上是由添加不同穩(wěn)定劑組成的部分穩(wěn)定ZrO2，其確定的晶體結(jié)構(gòu)是以四方相（亞穩(wěn)相）為主體的含有立方相和單斜相組成的多晶結(jié)構(gòu)，它具有高的韌性、高的抗彎強度、高的硬度和耐磨性等特點，更顯示出應(yīng)用的廣泛性。它在機械、電子、石油、化工、航天、紡織、精密測量儀器、精密機床、生物工程和醫(yī)療器械等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。 
　　由于部分穩(wěn)定氧化鋯（VK-R50Y3）具有低熱導(dǎo)率、強度韌性好，低彈性模量，高抗熱沖擊性，高工作溫度（1100℃），所以用于制造發(fā)動機零件，內(nèi)燃機零件。它具有小體積，重量輕，熱效高，是一種有效的節(jié)能發(fā)動機。ZrO2 增韌陶瓷在內(nèi)燃機中的應(yīng)用是成功的。美國絕熱發(fā)動機計劃的目標是取消水冷系統(tǒng)，對燃燒室絕熱，利用排出的熱能，提高熱效率，減少發(fā)動機重量。在絕熱內(nèi)燃機中，韌性氧化鋯（VK-R50Y3）還可用做汽缸內(nèi)襯、活塞頂、氣門導(dǎo)管、進氣和排氣閥座、軸承、挺桿、凸輪、凸輪隨動件和`活塞環(huán)等零件。陶瓷絕熱內(nèi)燃機的熱效率已達到 48%（普通內(nèi)燃機為 30%） 。陶瓷絕熱內(nèi)燃機省去了散熱器、水泵、冷卻管等 360 個零件，質(zhì)量減少 191 ㎏，增韌陶瓷在轉(zhuǎn)缸式發(fā)動機中用做轉(zhuǎn)子。日本、美國、德國等一些技術(shù)發(fā)達國家用韌性氧化鋯制作發(fā)動機。同時還用制造計算機驅(qū)動組件，密封件，發(fā)動機的散熱葉片等。 
　　部分穩(wěn)定氧化鋯（VK-R50Y3）具有高的硬度和耐磨性，所以氧化鋯在磨介和磨具領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用：如球磨球和球磨機內(nèi)部襯里和耐磨部件，拉絲模等。我國關(guān)于韌性陶瓷在磨介領(lǐng)域占一半以上，而其中氧化鋯球占絕對優(yōu)勢。
　　由于氧化鋯沒有磁性、不導(dǎo)電、不生銹、耐磨，所以在生物醫(yī)學(xué)器械領(lǐng)域和刀具工具領(lǐng)域中應(yīng)用很廣：如用于醫(yī)學(xué)手術(shù)刀和剪磁帶等有磁性物質(zhì)的制品，制作人造骨骼、人造關(guān)節(jié)、人工牙齒等。近來部分穩(wěn)定ZrO2通過粉末冶金方法，制備避磁的手表表殼、耐腐的表件和其它儀表另件。用來制作切菜刀、剪刀、螺絲刀、榔頭、鋸、斧頭等，既更適宜于切生吃食物和熟食。日本近來開發(fā)出高鈰氧化鋯增韌陶瓷刀具，復(fù)合物用 Ce2O3 作穩(wěn)定劑，以取代金屬陶瓷，斷裂韌性是金屬的 3 倍，切削能力提高 1.5 倍。CeO2—ZrO2可以形成很寛范圍的四方氧化鋯固溶體相區(qū)。添加摩爾分數(shù)為 15～20%CeO2 可使四方相氧化鋯的相變溫度降低到 25℃以下。在軍事上用作制造防彈盔甲等。在鋼鐵生產(chǎn)工業(yè)用的陶瓷扎輥和導(dǎo)輥，表面摩損很小。 
　　　結(jié)構(gòu)陶瓷作為氧化鋯的一個新型應(yīng)用領(lǐng)域，
　　目前越來越為人們所重視。中國目前的氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷，有 70%的企業(yè)是由氧化鋯鋁陶瓷行業(yè)轉(zhuǎn)化而來的。中國市場的部分穩(wěn)定氧化鋯的應(yīng)用正處于起步發(fā)展階段。主要為：光纖接插件及套管、氧化鋯磨介、刀具、紡織及煙草機械承板等。
　　光纖接插件和光纖跳接線： 
　　用陶瓷制作的光纖連接器與光纖跳接線是光纖網(wǎng)路中應(yīng)用面*廣并且需求量的光源器件。單模多模活動光纖連接器中核心零件,其中主要部件—二氧化鋯陶瓷套管（即連接器精密針），它所用的材料就是氧化釔 Y2O3 穩(wěn)定的四方氧化鋯粉末。其主要用途有：
　　　氧化鋯陶瓷軸承
　　氧化鋯全陶瓷軸承具抗磁電絕緣、耐磨、耐腐蝕、無油自潤滑、耐高溫、耐高寒等特點，可用于極度惡劣環(huán)境及特殊工況。
　　目前氧化鋯陶瓷軸承已被微型冷卻風(fēng)扇所采用，其產(chǎn)品壽命及噪音穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)的滾珠及滑動軸承系統(tǒng)，富士康公司率先在電腦散熱風(fēng)扇上采用了氧化鋯陶瓷軸承。
　　　　宣城晶瑞新材料有限公司是一家從事納米技術(shù)研究、生產(chǎn)以及應(yīng)用的技術(shù)企業(yè)。是國內(nèi)產(chǎn)量、生產(chǎn)品種*多的納米氧化物生產(chǎn)基地。公司擁有年產(chǎn)600噸納米二氧化鈦及200噸高催化活性納米二氧化鈦及其系列產(chǎn)品；年產(chǎn)800噸納米三氧化二鋁及1000噸5N高純?nèi)�氧化二鋁其系列產(chǎn)品；年產(chǎn)1000噸超細二氧化鋯及其系列產(chǎn)品；年產(chǎn)200噸納米無機抗菌劑及其系列產(chǎn)品。
　　　高透二氧化鋯（Vk-R200KR）粉料，在醫(yī)療生物陶瓷領(lǐng)域歐美市場99.9%份額，主要用于口腔齒科單冠、橋體、全冠、種植牙根、基臺及人體關(guān)節(jié)等。
　
　　　5.二氧化鋯其它應(yīng)用
　　　　　　制備鉻酸鹽原料
　　制備鋯酸鹽的原料，由二氧化鋯和一些金屬氧化物或金屬碳酸鹽反應(yīng)生成，它們都是大分子結(jié)構(gòu)，具有各種電性能，為高溫、電子元器件等領(lǐng)域所應(yīng)用。
四、氧化鋯的發(fā)展前景
　　高性能結(jié)構(gòu)陶瓷的開發(fā)研究已引起世界工業(yè)國家的高度重視，并成為研究、投資、生產(chǎn)十分活躍的領(lǐng)域，尤其是日本、美國等國家都投入可觀的經(jīng)費。我國歷來對發(fā)展新型陶瓷材料高度重視，并取得了許多重大成果。宣城晶瑞新材料有限公司已經(jīng)能夠生產(chǎn)高質(zhì)量二氧化鋯超細粉體（VK-R50），且大部分產(chǎn)品出口。今后的發(fā)展將朝著超細、高純方向發(fā)展，產(chǎn)品制造方面將朝著新功能、新應(yīng)用領(lǐng)域方向發(fā)展，不斷擴大氧化鋯應(yīng)用領(lǐng)域。