特種陶瓷課件52氧化鋯陶瓷氧化鋯增韌陶瓷

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1、5.2ZrO2陶瓷一、ZrO2的性質(zhì)二、ZrO2的結(jié)晶形態(tài)和晶形轉(zhuǎn)化三、ZrO2陶瓷制造工藝四、ZrO2的性能與應(yīng)用五、ZrO2增韌陶瓷1、ZrO2相變?cè)鲰g機(jī)理2、幾種典型的ZrO2增韌陶瓷3、ZrO2增韌陶瓷研究發(fā)展趨勢(shì)一、ZrO2的性質(zhì)含鋯的礦石，在自然界中主要有兩種：斜鋯石（ZrO2）和鋯英石（ZrO2?SiO2）。ZrO2是由含鋯礦石提煉出來(lái)的。較純的ZrO2粉呈黃色或灰色，高純的ZrO2粉呈白色。ZrO2的密度為5.49g/cm3，熔點(diǎn)為2715℃。二、ZrO2的結(jié)晶形態(tài)和晶形轉(zhuǎn)化在不同溫度下，以三種同質(zhì)異形體(allomorphish)存在，即單斜晶系(monoc

2、liniesystem，m-ZrO2)、四方晶系(taragonalsystem，t-ZrO2)、立方晶系(cubiesystem，c-ZrO2)。三種晶型的ZrO2密度為：?jiǎn)涡毙蜑?.65g/cm3，四方型為6.10g/cm3，立方型為6.27g/cm3。其轉(zhuǎn)化如下：?jiǎn)涡盳rO2四方ZrO2立方ZrO2液相上述3種晶型之間可以相互轉(zhuǎn)化。由單斜相向四方相轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)伴隨有7%左右的體積變化。加熱時(shí)由單斜-ZrO2→四方-ZrO2，體積收縮。冷卻時(shí)由四方-ZrO2→單斜-ZrO2，體積膨脹。但這種收縮與膨脹并不發(fā)生在同一溫度，前者約在1200℃，后者約在1000℃。1170℃237

3、0℃2715℃三、ZrO2陶瓷制造工藝純ZrO2制品往往在生產(chǎn)過(guò)程（從高溫到室溫的冷卻過(guò)程）中會(huì)發(fā)生t-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2的相變，并伴隨著體積變化產(chǎn)生裂紋，甚至碎裂，因此無(wú)多大的工程價(jià)值。后來(lái)通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定劑，如Y2O3、MgO、CaO、CeO等，可使ZrO2變成無(wú)異常膨脹、收縮的穩(wěn)定ZrO2。利用穩(wěn)定和部分穩(wěn)定的ZrO2備料，能獲得性能良好的ZrO2陶瓷。Y2O3–PSZ（Y2O3部分穩(wěn)定ZrO2）是將原來(lái)穩(wěn)定ZrO2所需的Y2O3量從8mol%以上減少到3~4mol%。據(jù)報(bào)道，Y2O3含量為3mol%的組成能明顯提高ZrO2陶瓷的強(qiáng)度。ZrO2陶瓷

4、成型可采用注漿法或干壓法成型。注漿成型時(shí)，可向ZrO2細(xì)粉中加入少量的阿拉伯樹(shù)膠（濃度為10%的約7%）和20%左右的蒸餾水，具有良好的注漿性能漿料。采用熱壓法可制得透明ZrO2陶瓷。燒成溫度為1650~1800℃，保溫2~4小時(shí)。部分PSZ材料的強(qiáng)度和斷裂韌性穩(wěn)定劑成分四方相含量(%)KIC(MPa.m1/2)強(qiáng)度(MPa)晶粒(mm)MgO3%409.565060MgO9%40960080(CaO+MgO)10mol%105.636060CaO3.7%406.864580Y2O36%305.9600Y2O32.5mol%976.47001Y2O33mol%3091400四

5、、ZrO2的性能與應(yīng)用據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年世界ZrO2的銷售額約為450億美元，其中日本占41%~42%，而居世界第2位的美國(guó)僅占22%左右。目前，日本在原料粉體的制造、電子陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷方面居世界領(lǐng)先地位。1.ZrO2結(jié)構(gòu)陶瓷(1)由于ZrO2陶瓷耐火度高，比熱和導(dǎo)熱系數(shù)小，因此是理想的高溫絕緣材料；化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫時(shí)仍能抗酸性和中性物質(zhì)的腐蝕。ZrO2坩堝可用于冶煉金屬及合金，如鉑、銣、銠等的冶煉和提純。(2)部分穩(wěn)定ZrO2具有高的硬度和耐磨性，因此ZrO2在磨介和磨具領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。如球磨球、球磨機(jī)內(nèi)襯和耐磨部件、拉絲模等。由于氧化鋯沒(méi)有磁性、不導(dǎo)電、不生銹、耐

6、磨，因此在生物醫(yī)學(xué)器械領(lǐng)域和刀具、工具領(lǐng)域中應(yīng)用很廣，可制作人造骨骼、人造關(guān)節(jié)、人工牙齒等。近來(lái)部分穩(wěn)定ZrO2通過(guò)粉末冶金方法，制備手表殼、耐腐蝕的表件和其它儀表零件。也可以用來(lái)制作菜刀、剪刀、螺絲刀、榔頭、鋸、斧頭等等。日本近來(lái)開(kāi)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。(3)微型風(fēng)扇軸心噪音和壽命長(zhǎng)期以來(lái)是決定微型冷卻風(fēng)扇性能的重要因素。噪音令人煩躁，壽命則關(guān)系到風(fēng)扇的可靠性，而軸承系統(tǒng)則是決定上述兩項(xiàng)性能的關(guān)鍵因素。氧化鋯陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫及耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，用在冷卻風(fēng)扇軸承

7、系統(tǒng)，制得的氧化鋯軸心，在噪音穩(wěn)定性、耐磨性、使用壽命等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)軸心。該軸心主要用于電腦機(jī)殼散熱器和中央處理器（CPU）的微型散熱風(fēng)扇上。2003年夏季，臺(tái)灣電腦公司富士康率先推出了采用這種陶瓷軸承系列電腦散熱風(fēng)扇。2.ZrO2功能陶瓷Y2O3的ZrO2陶瓷具有敏感的電性能，是近幾年來(lái)發(fā)展的新材料，主要應(yīng)用于各種傳感器、第三代燃料電池和高溫發(fā)熱體等。而且ZrO2材料高溫下具有導(dǎo)電性及晶體結(jié)構(gòu)存在氧離子缺位的特性，可制成各種功能元件。（1）氧傳感器。傳感器主要用于工業(yè)生產(chǎn)、監(jiān)控、品質(zhì)檢驗(yàn)，用來(lái)提高設(shè)