氧化锆的应用及超细氧化锆的制备方法简介

氧化锆的应用及超细氧化锆的制备方法简介 12月13日粉体应用技术13286

ZrO2具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质。这些特点使其成为重要的功能材料之一。二氧化锆导热系数小、热膨胀系数大、耐磨性好、抗腐蚀性能优良。在许多不同的领域,诸如陶瓷颜料、工程陶瓷、宝石业、压电元件、离子交换器以及固体电解质等方面有着广泛的用途。近年来还发现了纳米二氧化锆陶瓷的超塑性行为及特异表面行为，这些使得二氧化锆的应用十分广泛，有关二氧化锆的研究是粉体界的热点。

一、氧化锆的应用

陶瓷增韧

陶瓷增韧一直是摆在材料科学家面前的一道难题。纳米材料的出现，使人们看到了解决这一问题的希望。由于ZrO2从四方相转变为单斜相时体积大约膨胀5%，产生的显微裂纹和残余应力可使材料的韧性得以提高，因此常被用来增韧陶瓷。当ZrO2粒子约在0.1m以下时，转变温度可以降至室温以下。因此纳米ZrO2可明显提高陶瓷的室温强度和应力强度因子，从上饶而使陶瓷的韧性成倍提高。利用ZrO2的相变特性，使纳米ZrO2分散于陶瓷基体中，提高某些高温结构陶瓷的韧性和强度。将纳米ZrO2粒子分散于氧化铝陶瓷中可增强其抗弯强度和断裂韧性。

催化剂及载体

ZrO2的化学稳定螺柱焊机性好、其表面同时具有酸性和碱性；易产生表面氧空穴，作为催化剂载体可与活性组分产生较强的相互作用，导致活性组分的高度分散。纳米ZrO2由于粒子尺寸小，而使其比运输机表面积大大增加，可使催化性能大大提高。此外，近年来ZrO2在自动催化、催化加氢、聚合和氧化反应的催化及超强酸催化剂方面ZrO2也受到关注。利用溶胶—凝胶法合成超细CuO–ZnO/SiO2–ZrO2复合纳米粒子，催化活性实验表明，这种超细粒子参与的CO 催化加氢反应存在副产物少、甲醇选择性高等优点。

耐磨材料

把纳米ZrO2均匀地加到PEEK中，然后用压模法制成的复合材料，具有比PEEK更小的摩擦系数。随着纳米粒子尺寸的减小、复合材料的耐磨能力提高。将含纳米ZrO2的复合物涂覆到聚碳酸醋板上制成的涂层，其耐磨能力也显著提高。氧化锆制成的氧化锆球是重要的超细研磨材料，在众多的搅拌磨、小型球磨等粉体设备中都有应用。

耐火材料

氧化锆纤维是一种多晶质耐火纤维材料。由于ZrO2物质本身的高熔点、不氧化和其他高温优良特性，使得ZrO2纤维具有比氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维等其他耐火纤维品种更高的使用温度。氧化锆纤维在1500℃以上超高温氧化气氛下长期使用，最高使用温度高达2代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新技术，目前已开始成为一门新的独立学科。其基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解形成溶胶，然后使溶胶—凝胶化，再将凝胶干燥、煅烧，最后得到无机材料。它包括溶胶的制备，溶胶—凝胶转化和凝胶的干燥三个过程。该法的最大优点是反应温度低,产物粒径小,分布均匀,且易于实现高纯化, 但由于络合剂等有机试剂的引入,导致生产成本提高。

水热法

水热法是在特制的密闭反应容器(高压釜)里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质重新溶解并且进行重结晶的方法。自1982年开始用水热反应制备超细微粉以来，水热法已引起国内外的重视，它供电电缆是制备结晶良好、无团聚的超细陶瓷粉体的优选方法之一。水热法是一种非常有前途的纳米粉体制备方法，国外水热法制备ZrO2粉体已经实现工业生产。但由于水热法需要特殊的设备——高压釜，且该设备易被腐蚀，所以在我国尚未实现工业化大生产。

微乳液法

微乳液是表面活性剂以胶束或单体分散在有机相中形成的均匀稳定的溶液体系，在其中加入水或水溶液即可形成油包水胶束颗粒，通常由表面活性剂、助表面活性、油和水组成，是透明、各向异性的热力学稳定体系。在微水核内使金属盐发生沉淀，颗粒长大将受微水核自身结构及其内部金属盐容量的限制，同时颗粒表面吸附的表面活性剂分子或有机溶剂分子也将阻止颗粒的团聚进一步长大，用此法制备的粉体其大小可控制在几至几十纳米之间。此法制得的粉体粒子分散性好,粒度小且分布窄,但生产过程较复杂,成本也较高。

超临界干燥法

超临界干燥法利用物质在临界温度和压力下，气—液界面消失这一性质来消除粒子在干燥过程中因表面张力而产生的聚集现象，从而制备出团聚较轻或无团聚的纳米粉体。太原重型机械学院的梁丽萍、党淑娥等人采用凝胶—超临界流体干燥工艺合成不同CaO浓度的稳定化ZrO2超微粉体。他们首先按照所要求的组成分别配置一定浓度的混合盐溶液，再以氨水作为pH调节剂，调节体系的pH=10.1，获得复合水凝胶，将水凝胶洗涤乙醇脱水得醇凝胶，醇凝胶于260℃，7.5MPa条件下进行超临界流体干燥，得复合超微原粉，粉体经600℃，2h焙烧制得ZrO 纳米粉。该方法特点是化学计量可以精确控制并省去了后续的煅烧，而且反应迅速，产品组成单一，但盐类的分解会产生大量有害气体，且耗能大易引起团聚。

共沸蒸馏法

在共沸蒸馏前首先找到一种夹带剂使之与被夹带组分水形成共沸物，在此共沸物中水的含量较大，以便有效的脱除水分，且夹带剂与水的相互溶解度要小，利于夹带剂的回收再利用。刘雪霆、许煜汾、范文元等人采用非均相共沸蒸馏法以正丁醇为夹带剂对水合氢氧化锆凝胶进行脱水，克服了粉体硬团聚的形成。经干燥、煅烧后成功的制成了氧化锆纳米粉末。

低温燃烧合成法

低温燃烧合成是相对于自蔓延高温合成而提出的，它是一种通过对金属盐的饱和水溶液(氧化剂)和有机燃料(还原剂)加热使其起火燃烧而得到泡沫状疏松氧化物超细粉体的方法。北京积极大学的李汶霞、殷声、王辉等人用水合硝酸盐作为氧化剂、以尿素为燃料，根据推进化学计算原料的配比，进行了复相PSZ超细粉末的低温燃烧合成。

（作者：敬之）

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