氧化锆涂层（薄膜）的应用与研究

摘要重点归纳了氧化锆（ZrO2）作为热障涂层材料的应用和研究内容， 并对 ZPO2 功能薄膜材料和生物涂层材料的研究进行了简单总结。 对纳米氧化锆涂层的研究现状进行初步介绍。
关键词氧化锆（ZPO2） 热障涂层 功能薄膜 纳米涂层

ZPO2 是一种具有很大发展潜力的涂层材料，无论是在结构材料还是在功能材料领域。 同其它陶瓷材料相比，它具有较高的强度、断裂韧性以及良好的耐磨损性。 氧化锆（ZrO2）作为涂层材料得到广泛应用的本质原因， 是由 2 方面的特点决定的： （1）氧化锆优异的热学和力学性能： 第 1它的线胀系数高， 接近金属基质，（为 9 X 10 - 6 ~11.5 X 10 - 6 / K）； 第 2， 氧化锆涂层的热导率在一个很宽的温度范围内变化很小，几乎为一常数；第3，热 导 率 的 值 也 较 小（1W/ m·K）， 尤 其 在 高 温1000C时， 它的热导率数值是所有致密陶瓷材料中最低（~ 2.3W/ m·K）； 在气孔和裂纹存在的情况下，Y2O3 稳定 ZPO2 材料的热导率值通常在 0.8~ 1.7W/ m.< 之 间。 第 4， 它 的 弹 性 模 量 为 ~50Gpa，从而保证了它具有很高的缓解应力的性能；第 5， Y2O3 稳定 ZPO2 材料有相对较低的密度~ 6.4<g / m3，有利于获得高性能的涂层， 而不会引起器件重量的较大变化； 第 6， Y2O3 稳定 ZPO2 材料的硬度达 ~ 14Gpa，从而使该材料具有良好的抗腐蚀 性； 第 7， Y2O3 稳 定 ZPO2 材 料 熔 点 高 达2700C，保证了它在高温下应用时更稳定。（2）氧化锆（ZPO2）本身存在 3 种相态： 低温单斜、中温四方和高温立方相，其中，低温单斜和中温四方相之间的相变，会导致 3% ~ 5%（体积分数）左右的体积变化，常常导致微裂纹的产生，有利于材料韧性的提高。 由于这 2 方面独特的原因， ZPO2 一直作为涂层研究内容的重点之一。
对 ZPO2 材料涂层的研究， 大致经历了 3 个明显的历史阶段： 20 世纪六七十年代， 随着热障涂层在 X - 15 火喷嘴上和涡汽轮机上的成功应用，推动了 MgO，CaO，Y2O3 稳定 ZrO2 涂层材料的实用化研究；20 世纪 80 年代，国内外对 ZrO2 涂层研究相对达到一个高峰期，大量的研究结果表明： Y2O3（质量分数为 6% ~ 8%）稳定 ZPO2 材料其抗热震性能优越。 而 CaO， MgO 稳定的 ZPO2 材料， 在热障涂层领域的应用逐渐减少。 从 20 世纪末开始，随着纳米理论和纳米粉体制备技术的成熟， 纳米ZrO2 涂层的制备已经逐渐成为研究的重点。
1 ZPO2 热障涂层结构和性能的研究
1.1 ZPO2 涂层结构的研究进展
典型的热障涂层结构是 2 层型： 在基质以上是结合层和表面 ZrO2 涂层。 结合层， 用于缓解基质材料和表面涂层之间较大的线胀系数差异， 现在最常用的结合层材料为 MNiCrAl 合金组元形（M 指 CO，Fe，Y 等）， 其特点是线胀系数可以很好地与基质金属和陶瓷涂层相匹配， 从而实现缓解热应力造成的涂层脱落。 这种表面涂层结构的优点是制备方便，工艺简单，而且往往在结合层与表面 ZrO2 涂层之间会形成一层氧化物膜， 通常是A12O3 和 Cr2O3， 它可以防止外界有害气体的进一步往里扩散， 从而延长了涂层的寿命。 针对双层型各涂层的功能分析， 又出现了多层热障涂层结构： 这种涂层结构是由三， 四层不同功能层构成。
一般是结合层、陶瓷和金属的混合层、抗氧化层，最后为陶瓷层。陶瓷和金属的混合层是为了减少陶瓷和金属基质之间的热膨胀差异，抗氧化层是为了防止外界气体向基质扩散而产生涂层的失效。但该涂层结构的制造工艺复杂，控制因素较多，因而较难实现。目前，研究最多的是 ZrO2 梯度涂层， 它是由不同比例的结合层金属和表面ZrO2涂层材料组成多层系统， 使结合金属和 ZrO2陶瓷材料的成分在各层中呈现梯度变化， 从而减缓表面涂层和基质金属之间的热失配， 改善 ZrO2涂层的抗热震性。
可以说，对于涂层结构的研究，主要针对涂层材料和基质金属之间的结合程度而开展的，所有涂层结构的研究和发展，也一直是围绕这个中心问题开展的，由此开展了多种新技术制备 ZrO2 涂层的方法。