氧化锆性质及其应用前景概述

氧化锆性质及其应用前景概述

摘要

氧化锆及制品是结构陶瓷、导电陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷的主要原料之一。氧化锆具有很多特性，如稳定的化学性质、熔点高、耐高温、热膨胀系数小、热稳定性好、可塑性好等。氧化锆性质的优越性，决定了氧化锆在军工、核反应、原子能领域、能源材料、冶金耐火材料以及电子、通讯、汽车、机械等高新技术领域的应用前景十分广泛。

关键词：氧化锆性质应用前景

1 前言

缝壳中Zr含量居第20位，自然界中氧化锆矿物主要是由锆英石和斜长石组成，氧化锆及制品主要原料是锫英石，全球90％的氧化锆(初级产品)由中国制造。氧化锆按制作工艺不同分为化学法氧化锆和电熔法氧化锆，电熔氧化锆又分为电熔单斜氧化锆和电熔稳定氧化锆。氧化锆主要化学成份是ZrO2,常压下纯ZrO2有3种晶形，它们相互转化如下：单斜晶-1170-四方晶形-2370-当立方晶形-2715-熔体。

Zr02是一种高熔点化学稳定性强的材料，它同时具有酸性、碱性、氧化还原性的无机非金属材料，化学性质稳定，耐酸碱具强抗腐蚀性能，抗氧化性接近Nb205、Ta2 03；有优越的物理性能，无辐射光学性能好、熔点高、耐高温、热膨胀系数小、有小的比热和导热系数小具优良的热稳定性，有超高硬度强度耐磨损具突出的机械性能，可塑性好易加工成板、丝等特性以及稳定化后的增韧性。

氧化锆及制品是现代高技术结构陶瓷、导电陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、现代冶金用高性能耐火材料、高性能高温隔热材料的主要原料之一，是支撑现代高温电热装备、航空航天器构件、军工、核反应、原子能领域、敏感元件、玻璃、人造宝石、冶金耐火材料等高新技术新材料产业的支柱之一；是国家产业政策中鼓励重点发展的高性能新材料之一。

随着氧化锆系列产品的开发生产，进一步将其应用领域扩展到结构材料和功能材料中。

2军工、航天、核反应、原子能等国防工业

Zr有突出地核性能是发展原子能工业不可缺少的材料，我国大型核电站普遍用此材料，如核动力发电每一万千瓦发电一年消耗20～25吨Zr材料，3万马力的核潜艇用作核燃料的包套和压力管的用量达20～30吨，用于核反应堆的堆蕊结构材料具有燃耗低、经济性好、运行安全、破损低等优点。Zr具高硬度高强度，含Zrl％地装甲钢、大炮钢、不锈钢是制造是制造装甲车、坦克、大炮和防弹单板等武器的重要材料；又因其具有极高熔点、传热率低以及极好的耐磨性能用于航天飞机外壳的隔热瓦、火箭及导弹、雷达保护罩，加入氧化钇稳定剂稳定后的氧化锫陶瓷涂层用于高性能涡轮航空发动机上。

3能源材料

固体氧化物燃料电池是一种新型发电装置，氧化锆因其具有氧离子传导性、在高温下导电性能增强，故可用于制造固体燃料电池。采用氧化锆制作的燃料电池具有高效、能源转换快、无污染、体积小、节能减排、全固态结构以及对多种燃料气体的广泛适应等优良特性，有大量替代传统燃料电池之趋势。氧化锆制品也作石油催化剂。

4生物功能材料

氧化锆材料制品制作人工关节、骨修复、牙齿等，用该材料制作的烤瓷牙具有以下优点：

4．1最佳美学效果

氧化锆光学性能好、化学性资稳定，故作出的烤瓷牙光线透光性好较真实，且镶人后颈部不象其他金属会变黑变暗发青。

4．2最佳生物相容性

氧化锆导热系数小利于牙髓保护，因具耐酸碱抗氧化性对牙龈无毒无刺激无过敏不腐蚀，其生物相溶性优于各种金属。

4．3最佳精密度和边缘密合

氧化锆机械性能好韧性高可塑性强易于加工，能保证模内冠的精确和优良边缘密闭性，瓷牙与患者口内基牙切合减少修复后牙根类发病率。

4．4最具可靠性

氧化锆稳定的化学性质不与空气、水及其他电解质发生化学、生物反应对人体无害，常温下绝缘、对X射线无阻挡、头颅X射线、CT、核磁共振检查无需撤掉假牙；

4．5高密度、高强度、高韧性

此材料制作的烤瓷牙曲强度>900MPa，强度比Empressz(铸瓷冠)高1．5倍，抗破裂以及破裂后强韧的固化性。

5氧化锆在纤维中应用

该材料是唯一能满足2000℃以上超高温氧化气氛下长期使用，是目前国际最顶尖的高档轻质耐火材料；氧化锆常温下为绝缘材料比电阻1015ΩNaN，温度升至600℃可导电、1000℃以上是良导体，可作1800℃高温发热元件，最高工作温度可达2400℃，现已用于2000℃以上氧化气氛下的发热元件及设备中，磁流体发电的电极材料也在研究中，还用于1500～2200℃的超高温工业窑炉、超高温实验电炉和其他超高温加热装置。用于陶瓷烧结、金属冶炼、高温分解、半导体制造、石英熔融、晶体生长、实验室研究等；可作高温过滤材料和高温反应催化剂载体，也用于高温下液体或气体过滤除杂质以及高温化学反应合成、裂解、催化剂等，用于航空航天、国防军工、原子能等关键领域。

6氧化锆在耐火材料中的应用

6．1钢铁行业

铸钢耐火材料特别是生产高静压成型产品包括中间溜槽钢、出液口、侵入式喷嘴、滑动挡板，特别是暴露在最高温中心区域内的设备。

6．2特种玻璃行业

如耐火材料(A12 03-Zr02一Si02 AZS)：氧化锆赋予熔融玻璃良好抗高温、抗腐蚀性能、不出现现反应区、玻璃内不产生碎石，这种材料是ZrO2岔量越高、级别越高，抗腐蚀能力则越强。

6．3耐火坩埚

氧化锆熔点高达2700℃，加热至1900。C不与熔融的AI、Fe、Ni、Pt等金属以及硅酸盐、酸性炉渣反应，用其制作的坩埚能成功熔炼Pt、Pd、La、Cs等金属及合金，用于熔炼K、Na、石英玻璃以及氧化物。

6．4氧化锆窑炉材料、氧化锆空心砖

大型玻璃池窑顶部和关键部位由氧化锆材料制成，空心砖石是指将熔融的氧化锆吹制得到大小不同的空心球制备各种高级隔热砖，它能避免陶瓷纤维老化后粉尘污染、有益环保。

7通讯领域、电子领域

氧化锆具优良力学性能、耐腐蚀、特殊光性能、电性能和高绝缘性能是光通讯重要元件、光纤连接器主要材料；以前使用的金属、塑料材料因光损大使用寿命短已被氧化锆材料取代。

电子领域主要在集成电路基板、电容、电阻等电子元件上使用。

8汽车领域

汽车零部件中的火花塞、气门、触媒等使用氧化锆材料；该行业在使用三效催化转化器降低排放污染的发动机上安装氧传感器中使用最多的是氧化锆；日本科学家制成多空氧化锆传感器装在发动机上自检发动机中氧与然烧气体比例来自动控制输入气体和排出气体比例、极大减少汽车尾气排放量节约能源；该技术在我国已被应用。保时捷汽车制动盘和人造传送带也使用氧化锆材料。

9机械领域

氧化锆具抗磁、电绝缘、耐磨耐腐蚀、无油自润滑、耐高温耐寒等优点，被用于极为恶劣和特殊环境

中。如：

9．1微型冷风扇

用氧化锆材料制作的风扇其产品噪音、稳定性、寿命优于传统产品，富士康生产的电脑散热风扇就是使用的该材料。

9．2阀门

我国各行业普遍使用金属阀门、受材料限制，金属被腐蚀破坏了阀门的可靠性及耐磨期限，使用过程中摩擦表面由于机械作用金属与坏境发生化学、电化学反应产生磨损破坏，石油、天然气、油层水等介质中H2S、C02和有机酸使其表面破坏增大而失去工作能力；而氧化锆材料制作的阀门则有耐磨、化学性质稳定、防腐、抗高温、热震性好等优良特性更能胜任这一领域。

9．3缸套

磨介、搅拌棒、轴承。

10 民用

(1)氧化锆制作的陶瓷刀具环保、不生锈、耐用、耐磨损、耐酸碱、防静电、强度高、不与食物发生反应等优点，现市场有：餐刀、剪刀剃须刀、手术刀、畜牧用推剪刀。

(2)河北勇龙邦大新材料公司与清华大学新型

陶瓷与工艺国家重点实验室共同研制“园珠笔用氧化锆陶瓷球珠”克服断线掉球死珠现象、填补国内空

白、被列为国家制笔行业“十一五”国家重点推广新产品。

(3)宝石材料人工合成氧化锫即“CZ钻”最早由苏联人合成，它光学性能好是物美价廉的钻石替代品。

11陶瓷添加剂

氧化锆是黄绿色颜料良好的助色剂，要性能好的钒锫黄颜料必须用质纯的氧化锆；高纯氧化锆能提高釉的高温粘度扩大高温粘度变化的温度范围，有较好的热稳定性；ZrO2含量在2％～3％时可提高釉料抗龟裂性能还起浮浊剂作用。

12 结语

由于氧化锆具有优良独特的物理性能和化学性质，使氧化锫及制品具有许多用途。中国有着较为丰富的锆资源，氧化锆发展前景较为广阔；目前我国愈来愈重视加强超细、高纯度氧化锆、高纯度稳定氧化错、纳米材料、高性能复合材料等制品的研制和开发。随着科学技术、新材料工业、电子信息产业的发展，氧化锆以及高性能复合系列产品加快了研发、生产步伐，并进一步将其应用领域扩展到结构材料和功能材料等等方面，被广泛应用于航天军工、机械工程、电子通讯、生物、能源、汽车、冶金等领域，是工业技术特别是尖端技术不可缺少的关键材料，是代表现代材料发展的主要方向，氧化锫在高新技术领域的应用将会更加广泛。

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