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一文认识纳米复合氧化锆制备方法及应用
2018月03月22日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:593
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一、纳米复合氧化锆概述

氧化锆(ZrO2)是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损和低热膨胀系数的无机非金属材料,自然存在形式为单斜相斜锆石。通常情况下,ZrO2 3种晶型,属多晶相转化的氧化物。在室温下为单斜相,高于1000 时四方晶相逐渐形成,直至 2370 只存在四方晶相,高于2370至熔点温度则为立方晶相。

 

图一 氧化锆的三种晶型

 

一般把加入稳定剂后在常温仍能保持四方相或立方相的氧化锆称为复合氧化锆或复合氧化锆粉体,又称半稳定、稳定氧化锆。常用稳定剂为Y2O3CeOCaO

 

 

二、纳米复合氧化锆的性能

1、物理性能:高强度、耐高温、耐磨、自润滑、绝热绝缘、膨胀系数可调节等。

2、化学性能:抗腐蚀、氧离子电导率高等。

3、纳米性能:比表面积大、储氧能力强等。

 

、纳米复合氧化锆的制备

纳米氧化锆主要有三种制备方法:化学法、电熔法和等离子法,电熔氧化锆(单斜)主要用于陶瓷色料、磨料和耐火材料三大市场,三者用量占需求总量的60% - 80%。水热法是生产纳米复合氧化锆的最优方法,核心在于工艺控制。

 

 纳米复合氧化锆的制备方法

 

、纳米复合氧化锆的应用

纳米氧化锆具有抗化学侵蚀和微生物侵蚀的特点,它是有着酸性、碱性、氧化性和还原性的金属氧化物掺杂的陶瓷材料,经过掺杂稳定的氧化锆在机械、热学、电磁学、光学方面也有良好的性质,在催化性方面也有重要的应用。

 

1、义齿材料

纳米ZrO2可明显提高陶瓷的室温强度和应力强度因子,从而使陶瓷韧性成倍提高。利用纳米ZrO2制备的复合生物陶瓷材料具有较好的力学性能、化学稳定性、生物相容性,是一种很有应用前景的复合型生物陶瓷材料,尤其在齿科材料和人工关节等方面。作为一种优良的生物惰性陶瓷,无论是作为口腔修复体还是植入体均表现出优异的化学稳定性能,完全满足作为口腔修复材料的标准。

 

图二 氧化锆在义齿材料方面的应用

 

2、氧传感器

采用氧化锆制成的传感器有良好的导电性,在控制汽车尾气、电厂锅炉的燃烧上起到重要作用。氧化锆式氧传感器是目前最成熟,产量最大的一种氧传感器。是汽车排放控制系统中的关键部件之一,其信号输出特性直接影响发动机的燃油经济性和排放控制。

 

图三 氧化锆应用于氧传感器

 

3、汽车尾气净化催化剂助剂

汽车尾气净化催化剂一般由三个部分组成:载体、助催化剂、催化剂。其中锆铈固溶体复合氧化物材料作为助催化剂使用,是十分重要的涂层材料。另外,锆铈固溶体在传感器材料、抛光材料、燃料电池、结构材料高强度陶瓷等领域亦有广泛的应用。

 

    4、光纤连接器陶瓷插芯

纳米氧化钇稳定氧化锆(Nano-YSZ)粉体,因其优异的力学性能、化学稳定性和极高的精密度等,可以用来制备光纤连接器的稀土结构陶瓷光纤插芯(精密针)和套筒,是光纤网络中应用面最广并且需求量最大的光纤无源器,是信息网络基础设施建设的重要组成部分。

 

图四 氧化锆应用于光纤连接器陶瓷插芯

 

5、移动终端产品

随着5G、无线充电等新型传输方式的临近,无线频段越来越复杂,金属机壳屏蔽将成为重大瓶颈。布局严格要求的5G天线,需要变换现有的金属机壳材质,陶瓷和玻璃都将成为可选方案。同时对于无线充电技术来讲,金属材料也是非常不友好的。因为目前大多数无线充电技术均采用电磁波原料,而金属对于电磁波会造成干扰,使得充电效率大大降低。可替代材料有塑料、玻璃和陶瓷。塑料易有刮痕,玻璃易碎,陶瓷材料凭借其优异的物理特性正逐步渗透到智能手机的外观件领域。

 

2014年金立手机首次推出以氧化锆陶瓷作为背板材料的智能手机-天鉴W808,此后华为、小米等手机厂商相继推出了该类型手机,逐渐使得氧化锆陶瓷手机背壳被大众知晓。小米MIX配备的全陶瓷机身,选择仅次于蓝宝石硬度的微晶锆陶瓷作为坯料,经71500oC高温煅烧,莫氏硬度高达8.5,钥匙、刀具等都不会造成任何磨损。

 

图五 氧化锆应用于陶瓷手机盖板

 

6、坩埚

在冶炼稀有、难熔贵金属及合金时,由于需要加热到较高温度,一般材料难以满足要求,采用氧化锆制成的坩埚可加热到2430 oC,氧化锆成为高温条件下使用坩埚的首选材料。

 

7、特种刀具

陶瓷刀具在20世纪初期即有使用,但因其脆性局限其使用范围。近年来,随着纳米复合氧化锆复合材料的进步,其韧性大幅改善。陶瓷刀从原有的航空航天等高科技领域开始扩大到工业陶瓷刀具,现在,已广泛应用于日常生活领域中。氧化锆可加工成各种刀具,在具有传统金属刀具优点同时,还具有不生锈、健康、耐磨等优点,被誉为陶瓷钢。

 

图六 氧化锆在陶瓷刀具方面的应用

 

8、燃料电池

固体氧化物燃料电池用锆基电解质是SOFC中应用最为广泛,研究最多的电解质材料。立方稳定ZrO2基电解质材料拥有极大的离子电导率,在高温下、氧化和还原气氛中保持良好的化学稳定性,并且在很大的氧分压范围内具有纯的氧离子导电特性,同时具有很好的机械加工强度,可制作成致密膜电解质,因此其满足了固体氧化物燃料电池的几乎所有要求,成为制备SOFC电解质材料的首选,是固体氧化物燃料电池的核心部件。

 

图七 氧化锆应用于燃料电池

 

9、特种机械零部件

陶瓷材料的脆性限制了其应用发展,纳米陶瓷是解决陶瓷脆性一种非常重要的途径。实验证明,可以利用ZrO2四方相相变为单斜相产生显微裂痕和残余应力对陶瓷进行增韧。纳米ZrO2能够明显提高陶瓷的室温强度和应力强度因子,从而使陶瓷韧性成倍提高。特种超韧型纳米复合氧化锆在轴承、轴套、阀球、壳体等领域有广泛应用。

 

10、耐火材料

由于氧化锆的熔点高、导热系数低、化学性能稳定,所以常用做耐火材料。用纳米氧化锆制备的耐火材料优势更加显著,耐高温(使用温度可达2200oC)、强度高、绝热性能好、化学稳定性优,主要用于操作温度在2000oC以上的环境中。

 

图八 氧化锆应用于耐火材料

 

                                                       作者:谷雨


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