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多种颜色的氧化锆陶瓷工艺简介
2018月09月27日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:169
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大千世界五彩斑斓,而氧化锆陶瓷材料色彩却显得有略微单调了。常见的用于工业的氧化锆陶瓷多为白色,用于新潮火热引人瞩目但发展进程却不瘟不火的陶瓷手机背板,往往也就只有那个黑与白两个颜色可选,简直单调得可怜。目前,氧化锆行业内较热的应用是手机机身材质及工业应用等(工业上对其色彩要求往往不是很大,所以本文不做重点强调)。氧化锆陶瓷材料用做手机材质,具有主流材质玻璃无法匹敌的优势例如耐摔耐磨耐刮,经久如新(小编亲测用了两年的小米5尊享版依然如当初相见的样子)等,但其制备困难成本高,使用成本也不低(例如碎板子维修),使得氧化锆陶瓷材质机身的手机还属于低市场占有率的产品,但即便如此,还是有不少机友非常like追随它的。

 

对于追逐氧化锆陶瓷手机机友们而言,有看重它的品质(耐摔,耐磨,质感好),也有单单看上了它的不一样的美。氧化锆陶瓷背板作为电子消费品手机的机身材质而言,除了颜色单调这一毛病让人极度失望,其他一切性能都是很OK的。但数月前国产战斗机小米手机,推出的一款价格惊人的原谅色陶瓷机身手机--小米MIX 2S翡翠版,让广大机友们再度相信,氧化锆陶瓷手机材料还是有机会摆脱单调色彩的。

 

1:小米MIX 2S翡翠版

 

相关阅读:翡翠色陶瓷背板手机首发,陶瓷手机背板从此不再只有黑与白

 

一、彩色氧化锆陶瓷有何难?

众所周知,普通彩色陶瓷的制备一般是将色料或着色剂加入到陶瓷坯体或釉料中,通过高温烧成而获得,此处所说的高温一般低于1300。而氧化锆陶瓷的烧结温度通常在1550~1650 之间,这个温度下,大多数的色料或着色剂将会分解、挥发而失去效用。因此,采用简单添加色料或着色剂的方法,实在难以制得呈色鲜艳的彩色氧化锆陶瓷。目前,为了获取彩色氧化锆主要采用如下两种措施,其一是通过适当的措施降低烧结温度,其二是要添加合适的着色剂及助剂抑制着色剂的分解、挥发。本文将引用文末参考文献1的研究成果与大家一起探讨彩色氧化锆的制备工艺PS原谅绿氧化锆的介绍在文末

 

二、彩色氧化锆的制备工艺

1、制备工艺

将氧化锆粉体与着色剂、烧结助剂(Al2O3SiO2 等)按一定的比例配料(配方见表1),然后用行星球磨机球磨3 h。造粒后,采用模压成型制备素坯。干燥、烧结、精加工后得到制品,并进行性能测试。

 

 

2:彩色氧化锆陶瓷的制备工艺流程图

 

2、原料及工艺条件

采用2 3%摩尔分数Y2O3 稳定的ZrO2 粉体为要原料。一种为市售微米级ZrO2 粉体,平均粒度1.23μm,记为M-ZrO2。另一种为纳米级ZrO2 粉体,平均粒径为80 nm,记为N-ZrO2。氧化铝粉,平均粒度120 nm。二氧化硅粉,平均粒度80 nm。色料有镨锆黄色料,Cr2O3及偏钒酸铵。

 

1:彩色氧化锆的制备工艺条件

氧化锆

着色剂ω/%

添加剂ω/%

烧结

M-ZrO2

2-10

0

1500~1600

M-ZrO2

2-10

5-10

1460~1560

M-ZrO2

2-10

0

1420~1520

M-ZrO2

2-10

5-10

1380~1460

 

3、性能测试

用三点弯曲法测定材料的抗弯强度用维氏硬度仪测试样品的维氏硬度;扫描电镜观察样品的显微结构;紫外-可见光谱仪分析样品的颜色;耐腐蚀测试:对制备的彩色ZrO2 陶瓷,用20%的盐酸及氢氧化钠溶液浸泡评价其耐腐蚀性能。腐蚀前后陶瓷表面的颜色和光泽没有明显变化则说明制备的彩色ZrO2 陶瓷具有很好的耐腐蚀性能。

 

三、几种彩色氧化锆的制备工艺

1、用镨锆黄色料制备黄色ZrO2陶瓷

使用表1工艺条件,以微米级ZrO2 粉体为原料,镨锆黄色料为着色剂,若不添加任何助剂,这时制备的陶瓷只有较浅的黄色。色料加入量一定,随着烧结温度的提高,制品颜色变浅;在同一烧结温度,随着色料加入量的增加,颜色略有加深,但制品的强度和相对密度减小。若添加少量助剂,制品的烧结温度可降低,并且在同样的色料加入量下,添加烧结助剂使呈色更深、更鲜艳。但镨锆黄色料本身的颜色较浅,采用此法难以获得深颜色的黄色氧化锆陶瓷。如需制备深黄色氧化锆陶瓷可采用偏钒酸铵为着色剂。

 

3 示例浅黄及深黄氧化锆陶瓷

 

2、用偏钒酸铵制备黄色ZrO2陶瓷

改变着色剂为偏钒酸铵,其它制备条件同表1。以微米级ZrO2 粉体为原料,偏钒酸铵为着色剂,若不添加任何助剂,这时制备的ZrO2陶瓷呈现深黄色,但颜色不均匀。随温度升高,颜色均匀性提高。添加烧结助剂,也使制品的颜色均匀性提高。若采用纳米ZrO2 粉体为原料且添加烧结助剂,在适当的条件下所得制品呈现纯正鲜艳的深黄色

 

参考文献的实验条件制备的氧化锆陶瓷,制品在580 nm 左右具有强烈的反射,制品的颜色纯正鲜艳从断面的SEM 照片看,制品见结构致密、晶粒细小均匀(500~700 nm)。制品的硬度为14.76 GPa,抗弯强度达到670 MPa。制品具有致密的显微结构和优异的力学性能。

 

显色机理Alarcon 等认为V4+固溶于ZrO2 晶格中导致呈现黄色。根据文献1实验结果,偏钒酸铵中的钒在高温下固溶于ZrO2晶格中从而产生黄色。且在实验中发现,随温度升高、ZrO2粒度的减小及矿化剂的使用,固溶程度增加,颜色加深,均匀性增加。

 

3、用 Cr2O3 制备绿色ZrO2陶瓷

改变着色剂为Cr2O3制备绿色ZrO2 陶瓷,其制备条件见表1。以微米级ZrO2粉体为原料,若不添加任何助剂,这时制备的ZrO2 陶瓷无绿色出现。添加烧结助剂,制品仅呈现微弱的绿色。若采用纳米ZrO2粉体为原料且添加烧结助剂,所得制品呈现纯正鲜艳的绿色

 

参考文献的实验条件制备的氧化锆陶瓷,制品在530nm 左右具有强烈的反射,制品的绿色纯正鲜艳。从断面的SEM 照片看,制品结构致密、晶粒细小均匀(500~700 nm)。制品的硬度为14.21 GPa, 抗弯强度达到610 MPa。说明制品具有致密的显微结构和优异的力学性能。

 

显色机理Manuel 等认为Cr2O3 ZrO2 SiO2 等反应形成ZrSiO4 固溶体, 从而呈现绿色。但Cr2O3 在高温下易挥发,随温度升高,挥发加剧,从而影响呈色。采用纳米ZrO2 粉体及矿化剂降低了固溶反应和烧结温度,抑制了Cr2O3 的挥发,因而使得制品具有鲜艳的绿色。

 

绿色的氧化锆陶瓷已在劳力士腕表116610LV早有应用,但制备工艺略有区别,相关内容介绍可见:特种陶瓷与贵金属神奇组合:某名表绿色陶瓷技术


除了参考文献1的黄色及绿色氧化锆研究,研究人员对其它颜色的氧化锆陶瓷也有探索,例如参考文献2中介绍,采用钒锆蓝色料为着色剂纳米级ZrO2粉体为原料,可合适的条件下可制备呈色均匀,颜色鲜艳的蓝色ZrO2陶瓷其相关介绍见:一种“骚蓝色”氧化锆陶瓷的制备方法。


参考资料:

1、彩色氧化锆陶瓷的制备,青岛科技大学材料学院,张灿英,朱海涛,李长江,王继鑫。

2、蓝色氧化锆陶瓷的研制,山东硅苑新材料科技股份有限公司,青科技大学材料学院,王 峰,张灿英等著。

 

粉体圈 编辑:小胖


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