纳米超细高纯二氧化锆的性能、发展及应用简述

纳米超细高纯二氧化锆的性能、发展及应用简述
　《纳米新材料应用技术》 2013年02月第3期 王航
一、高纯二氧化锆性质简述  13305631332,   13305631650， qq:524915046
　　　高纯二氧化锆（VK-R50）为白色粉末。 熔点高达 2680℃, 导热系数、热膨胀系数、摩擦系数低, 化学稳定性高, 抗蚀性能优良, 尤其具有抗化学侵蚀和微生物侵蚀的能力。 大量用于制 造耐火材料、研磨材料、陶瓷颜料和锆酸盐等。 从结构上看, 二氧化锆由于其具有酸性和碱性表面中心, 因而是一种理想的酸基双功能催化材料, 在催化领域 起重要作用。二氧化锆还具有独特的相变增韧性, 这使二氧化锆陶瓷不仅强度高, 断裂韧性也很大。 同时, 二氧化锆具有高温氧离子导电性, 这一点在氧传感器中得以应用。
　　　高纯二氧化锆有三种晶型〔1〕: 低温为单斜晶系, 相对密 度为 5. 65g /cm3; 高温为四方晶系, 相对密度为 6.10g/cm3更高温度下转变为立方晶系, 相对密度为6.27g/cm3。
　　单斜氧化锆（VK-R50）加热到 1170℃时转变为四方氧化锆, 这 个 转 变 速 度 很 快 并 伴 随 7%～ 9% 的 体 积 收 缩。 但在冷却过程中, 四方氧化锆往往不在 1170℃转变为单斜氧化锆, 而在 1000℃左右转变, 是一种滞后的转变, 同时伴随着体积膨胀。
　　
二、二氧化锆的发展历程
　　　拥有国际一流纳米、新材料产品，为客户提供最优质服务。正是坚持这样的目标，宣城晶瑞新材料有限公司推出超细高纯纳米二氧化锆粉体VK-R50。
　　　自从1975年澳大利亚学者K.C.Ganvil首次提出利用Zr2O(VK-R50Y3)相变同时产生的体积效应来达到增韧陶瓷的新概念以来，对ZrO2陶瓷用作结构材料的研究就十分活跃，从相变结晶学、热力学、增韧机理及材料制备系统与工艺等方面入手，企图使ZrO2陶瓷材料或用ZrO2 (VK-R50Y3)增韧后的陶瓷发挥更大的效用。目前研究报导较多的材料系统并具有一定效果的有:部分稳定氧化锆(VK-R50Y3);多晶四方ZrO2 (VK-R50Y5);氧化锆增韧氧化铝(VK-L30);氧化锆增韧莫来石(ZTM);增韧Si3N4、SiC及超塑性氧化锆等几方面，其他增韧ALN、堇青石、尖晶石等亦有报导。由于ZrO2相变增韧使Al2O3、莫来石、SiN4、SiC的断裂性能亦有不同程度的提高，Si3N4的材料Kic从4.8一5.8提高至7左右，Al2O3材料KiC。由4.5提高到9.8。为这些材料的进一步应用提供了力学性能上的保证。
　　　　　三、二氧化锆的应用
　　　1.二氧化锆耐火材料
　　二氧化锆从20世纪20年代初就被应用于耐火材料领域，直至今天在耐火材料领域仍然占有一席之地。
　　　二氧化锆坩埚
　　如前所述氧化锆的熔点高达2700℃，即使加热到1900多摄氏度也不会与熔融的铝、铁、镍、铂等金属，硅酸盐和酸性炉渣等发生反应，所以用二氧化锆（VK-R50Y3）材料制作的坩埚能成功地熔炼铂、钯、钌、铯等铂族贵金属及其合金，亦可用来熔炼钾、钠、石英玻璃以及氧化物和盐类等。
　　　二氧化锆耐火纤维
　　二氧化锆（VK-R50）纤维是唯一一种能够在1600℃以上超高温环境下长期使用的陶瓷纤维耐火材料，具有比氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维等更高的使用温度和更好的隔热性能，并且高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、不易挥发、无污染。这些优异特性决定了二氧化锆纤维是一种顶尖的高档耐火纤维材。
　　　二氧化锆窑炉材料
　　二氧化锆（VK-R50）作为耐火材料主要用在大型玻璃池窑的关键部位，早期使用的锆质耐火材料，其氧化锆含量仅为92%-95%,杭州万景新材料有限公司研制成功含氧化锆99.9%以上的锆质耐火材料，将其使用在玻璃窑顶部和关键部位，大大提高了玻璃窑的寿命。
　　将二氧化锆（VK-R50）熔融、吹制后得到大小不同的氧化锆空心球，制备各种高级隔热砖，避免了陶瓷纤维老化后的粉尘污染问题。。
　　　2.氧化锆结构陶瓷
　　1975年澳大利亚R.G.Garvie以氧化钙为稳定剂制得部分稳定氧化锆，并首次利用氧化锆马氏体相变增韧的效应，提高了韧性和强度，极大的扩展了氧化锆在结构陶瓷领域的应用。 
　　ZrO2增韧陶瓷实际上是由添加不同稳定剂组成的部分稳定ZrO2，其确定的晶体结构是以四方相（亚稳相）为主体的含有立方相和单斜相组成的多晶结构，它具有高的韧性、高的抗弯强度、高的硬度和耐磨性等特点，更显示出应用的广泛性。它在机械、电子、石油、化工、航天、纺织、精密测量仪器、精密机床、生物工程和医疗器械等行业有着广泛的应用前景。 
　 
　　　结构陶瓷作为氧化锆的一个新型应用领域，
　　目前越来越为人们所重视。中国目前的氧化锆结构陶瓷，有 70%的企业是由氧化锆铝陶瓷行业转化而来的。中国市场的部分稳定氧化锆的应用正处于起步发展阶段。主要为：光纤接插件及套管、氧化锆磨介、刀具、纺织及烟草机械承板等。
　　光纤接插件和光纤跳接线： 
　　用陶瓷制作的光纤连接器与光纤跳接线是光纤网路中应用面最广并且需求量最大的光源器件。单模多模活动光纤连接器中核心零件,其中主要部件—二氧化锆陶瓷套管（即连接器精密针），它所用的材料就是氧化钇 Y2O3 稳定的四方氧化锆粉末。其主要用途有：
　　　氧化锆陶瓷轴承
　　氧化锆全陶瓷轴承具抗磁电绝缘、耐磨、耐腐蚀、无油自润滑、耐高温、耐高寒等特点，可用于极度恶劣环境及特殊工况。
　　目前氧化锆陶瓷轴承已被微型冷却风扇所采用，其产品寿命及噪音稳定性均优于传统的滚珠及滑动轴承系统，富士康公司率先在电脑散热风扇上采用了氧化锆陶瓷轴承。
　　　氧化锆陶瓷阀门
　　目前，我国各个行业中普遍使用的阀门是金属阀门，金属阀门的使用也有100多年的历史，期间虽然也经历过材料及结构的改变，但由于受金属材料自身的限制，金属的腐蚀破坏对阀门耐磨性的作用期限、可靠性、使用寿命具有相当大的影响，机械和腐蚀的作用因素对金属的作用大大地增加了接触表面总的磨损量，阀门操作过程中，摩擦的表面由于同时的机械作用和金属与环境进行化学的或电化学的相互作用的结果产生磨损和破坏，对于阀门而言，其管道工作气候条件的复杂；石油、天然气和油层水等介质中硫化氢、二氧化碳和某些有机酸的出现，使其表面的破坏力增大，从而迅速失去工作能力。
　　氧化锆陶瓷阀门优良的耐磨性、防腐性、抗高温热震性，能够胜任这一领域。
　　　二氧化锆研磨材料（VK-R50Y3）
　　二氧化锆（VK-R50Y3）磨球具有硬度大、磨损率小、使用寿命长、可大幅减少研磨原料的污染，能够很好地保证产品质量，同时氧化锆材料密度大，用做研磨介质时撞击能量强，可大大提高研磨分散效率，可有效缩短研磨时间。
　　良好的化学稳定性决定了其耐腐蚀性，可以在酸性和碱性介质中使用。
　　由中国建筑材料科学研究院研究开发的二氧化锆（VK-R50Y3）陶瓷磨球，磨损率仅为0.04/24h，在球磨、振动磨、行星磨和搅拌磨等磨机中被广泛采用当作研磨介质。
　　　3.氧化锆功能陶瓷
　　　二氧化锆（VK-R50Y3）陶瓷刀具
　　二氧化锆（VK-R50Y3）陶瓷刀具具有高强度、耐磨损、无氧化、不生锈、耐酸碱、防静电、不会与食物发生反应的特点，同时刀体光泽如玉，是当今世界理想的高科技绿色刀具，目前市场主要产品有：氧化锆陶瓷餐刀、剪刀、剃须刀、手术刀等，近几年在欧、美、日、韩等地已开始流行。
　　　二氧化锆高温发热材料
　　二氧化锆在常温下为绝缘材料，比电阻高达1015Ω·cm，温度升高至600℃可以导电，而在1000℃以上时是良导体，可作1800℃高温发热元件，最高工作温度可以达到2400℃，目前已经被成功地用于2000℃以上氧化气氛下的发热元件及其设备中，磁流体发电的电极材料也在积极的研究之中。
　　　二氧化锆生物陶瓷材料
　　烤瓷牙家族中的贵族—氧化锆烤瓷牙，烤瓷牙材料的好坏直接影响它的质量和患者身体健康，因烤瓷牙的内冠是由不同金属材料制作而成，金属内冠易与口腔唾液发生氧化反应，氧化锆材质的烤瓷牙由于没有金属内冠层，牙齿透明度好，光泽度极佳，更有效避免了牙齿过敏和牙龈黑线等问题，具有足够好的遮色能力，能够完美解决重度四环素牙患者的牙齿美容需求，而且氧化锆材质的强韧性弥补了普通烤瓷牙易蹦缺的缺点，生物相容性好，不刺激口腔粘膜组织，易于清洁，是目前国内外最优质的烤瓷牙。
　　　拥有国际一流纳米、新材料产品，为客户提供最优质服务。正是坚持这样的目标，宣城晶瑞新材料有限公司再次推出新产品——牙科用高透二氧化锆（Vk-R200KR）
　　　宣城晶瑞新材料有限公司是一家从事纳米技术研究、生产以及应用的高新技术企业。是国内产量最大、生产品种最多的纳米氧化物生产基地。公司拥有年产600吨纳米二氧化钛及200吨高催化活性纳米二氧化钛及其系列产品；年产800吨纳米三氧化二铝及1000吨5N高纯三氧化二铝其系列产品；年产1000吨超细二氧化锆及其系列产品；年产200吨纳米无机抗菌剂及其系列产品。
　　　5.二氧化锆其它应用
　　　与二氧化锆形成复相材料
　　与其它材料复合形成的复相材料，比如氧化锆与氧化铝（VK-L30）、莫来石等材料形成的复相材料，得到了比单相材料具有更优异性能的新材料。
　　　普通陶瓷添加剂
　　陶瓷色釉料方面的应用：氧化锆为黄绿色颜料良好的助色剂，若想获得性能较好的钒锆黄颜料，必须选用质纯的氧化锆，另外在釉料制造方面，纯的氧化锆可以提高釉的高温粘度和扩大高温粘度变化的温度范围，有较好的热稳定性，其含量为2%~3%时，能提高釉料的抗龟裂性能，还因二氧化锆的化学惰性大，能提高釉料的化学稳定性和抗酸碱侵蚀的能力，有时也被用来制作乳浊釉。
　　　制备铬酸盐原料
　　制备锆酸盐的原料，由二氧化锆和一些金属氧化物或金属碳酸盐反应生成，它们都是大分子结构，具有各种电性能，为高温、电子元器件等领域所应用。
四、氧化锆的发展前景
　　高性能结构陶瓷的开发研究已引起世界工业先进国家的高度重视，并成为研究、投资、生产十分活跃的领域，尤其是日本、美国等国家都投入可观的经费。我国历来对发展新型陶瓷材料高度重视，并取得了许多重大成果。宣城晶瑞新材料有限公司已经能够生产高质量二氧化锆超细粉体（VK-R50），且大部分产品出口。今后的发展将朝着超细、高纯方向发展，产品制造方面将朝着新功能、新应用领域方向发展，不断扩大氧化锆应用领域。