二氧化锆陶瓷的制备与性能分析报告.doc

. . .特种陶瓷综合论文院（部、中心） 材料科学与工程学院 姓 名 x x x 学 号 xxx 专 业 材料科学与工程 班 级 xx 课程名称 特 种 陶 瓷 材 料 综 合 论 文 设计题目名称 氧化锆陶瓷的制备及性能分析 起止时间　　 成 绩 　 指导教师 xxx大学教务处制目录一、氧化锆的基本性质及应用 11.1氧化锆的基本性质 11.2氧化锆的应用 1二、氧化锆粉料的制备 12.1常用微粉 22.2 超细粉制备 2三、 氧化锆陶瓷的成型 43.1热压铸成型 43.2干压成型 43.3等静压成型 63.4注浆成型 63.5流延成型 63.6凝胶注模成型 7四、氧化锆陶瓷的烧结 74.1 真空烧结炉 84.2实验室烧结炉 10五、氧化锆陶瓷的性能测试 115.1体积密度、吸水率和气孔率的测定 115.2 抗压强度的测定 125.3 三点抗弯强度 125.4 SEM 测试分析 12.下载可编辑.一、氧化锆的基本性质及应用1.1氧化锆的基本性质氧化锆是自然界中以斜锆石存在的一种矿物，是一种耐高温、耐磨损、耐腐蚀的无机非金属材料。

它的熔点高达2700摄氏度白色重质无定形粉末，无臭、无味溶于2份硫酸和1份水的混合液中，微溶于盐酸和硝酸，慢溶于氢氟酸，几乎不溶于水有刺激性相对密度5.85熔点 2680℃沸点4300℃硬度次于金刚石[1]能带间隙大约为5-7eV一般常含有少量的氧化铪化学性质不活泼，且高熔点、高电阻率、高折射率和低热膨胀系数的性质，使它成为重要的耐高温材料、陶瓷绝缘材料和陶瓷遮光剂纯的ZrO2在常压下共有三种晶型：从低温到高温一次为单斜相、四方相、和立方相氧化锆晶型转变如下：[2]1.2氧化锆的应用主要用于压电陶瓷制品、日用陶瓷、耐火材料及贵重金属熔炼用的锆砖、锆管、坩埚等也用于生产钢及有色金属、光学玻璃和氧化锆纤维还用于陶瓷颜料、静电涂料及烤漆[3]氧化锆还是一种很优秀的高科技生物材料生物相容性好，优于各种金属合金，包括黄金氧化锆全瓷牙具有极高的密合性，且对牙龈无刺激、无过敏反应，很适合应用于口腔导热性能极低，仅为黄金的十七分之一，更有利于牙髓的保护质量轻，密度仅为黄金的四分之一，患者佩戴更舒适二、氧化锆粉料的制备氧化锆陶瓷的生产要求制备高纯、分散性能好、粒子超细、粒度分布窄的粉体，氧化锆超细粉末的制备方法很多。

氧化锆的提纯主要有氯化和热分解法、碱金属氧化分解法、石灰熔融法、等离子弧法、沉淀法、胶体法、水解法、喷雾热解法等2.1常用微粉目前使用的ZrO 微粉，颗粒尺寸一般在1-88um之间工业上生产微粉常用机械研磨法，原理如下：块状原料→粉碎(一般使用流化床气流磨)→磁选→清洗→干燥→筛分→包装 需要注意的是，在细磨阶段要防止介质对原料的污染，一般研磨介质用ZrO2和ZTA2.2 超细粉制备超细粉末的粒径一般为10—100nm之间，由于具有一系列优异的性质(如表面效应、小尺寸效应、量子效应、隧道效应等)，目前已经成为高科技的前沿和重点ZrO2超细粉末的制备方法很多，包括物理方法和湿化学方法，如化学共沉淀法、水热法、气相沉积法和气相热分解法等2.2.1 化学共沉淀法a．中和沉淀法利用碱液从氯氧化锆(ZrOC1)盐溶液中沉淀出含水氧化锆： ZrOC12+2NH40H+(n+1)H20=Zr(OH)4nH20+2NH4C1 工艺流程为： ZrOC128H20用H2O溶解→用NH4OH溶液中和滴定→过滤→洗涤→100一120C干燥→800℃下煅烧lh→ZrO2一般ZrOC12．8H2O浓度可控制在0.25-0.4mol/L；浓度大时，产量大，但固液分离困难。

沉淀容易包裹并吸附杂质沉淀PH值在8—9之间为宜，温度可控制在60—80C之间，太低时，胶体沉淀体积大，杂质吸附严重，造成过滤、洗涤困难；偏高时将使沉淀和溶解这一动态平衡加速，可能使凝胶晶化b．水解沉淀法采用长时间的沸腾氯氧化锆溶液使水解生成的氯化氢不断蒸发出去，从而使如下水解反应平衡不断向右移动 ZrOCl2+(n+3)H2O=Zr(OH)4nH20+2HC1工艺流程为：Zrocl2•8H2O→沉淀50h→过滤→洗涤→100℃下水解沉淀50h→过滤→洗涤→110-110C干燥→粉碎→850℃下煅烧0.5h→ZrO2操作上与中和沉淀法大体相同，只是ZrOCl2浓度应控制小些，一般在0.2～0.3mol/L，此法操作简便，但耗能较大c．醇盐水解沉淀法工艺流程为：(液态)(苯作催化剂)→错醇盐合成→过滤除去NHC1→结晶纯化→加水进行水解沉淀→过滤→100～110C干燥—→粉碎→85O℃下煅烧0.5h→ZrO2锆醇盐的合成反应和水解反应方程如下：ZrC14+4C3H7OH+4NH3=Zr(OC3H7)4+2NH4C1(苯作催化剂）Zr(OC3H7)4+2H20=ZrO2+4C3H7OH(苯作催化剂)2.2.2 水热法在密封的压力容器中(如高压釜)，以水或有机溶剂作为反应介质，锆盐作为反应原料，再加入其它前驱反应物。

在这种特殊的物理、化学环境下，粉体的形成经历了一个溶解—结晶过程，制得的ZrO2超细粉末颗粒呈球状或短柱状，粒径为15rim，而且产品纯度高，烧结性能好最近将微波技术、超临界干燥技术、反应电极埋弧技术等引入水热制备系统，使水热法超细粉末制备技术有了新的改进和发展2.2.3气相沉积法和气相热分解法通过气相反应ZrC14+02=ZrO2+Cl2可制得ZrO2粉用此法制得的ZrO2粉纯度高、颗粒细用醇盐加热、分解Zr(OR)4(g)=ZrO2+2ROH+烯烃(式中R表示烷基)除以上的ZrO2制备方法之外，还有水热结晶、溶胶一凝胶法、等离子体法和电弧炉法、喷雾干燥等方法2.2.4其他方法随着研究的不断深入，一些研究者探索了新的制备超细粉的思路如高温喷雾热解法、喷雾感应耦合等离子体法等[12]，这些方法利用先进的仪器设备，生产工艺与传统化学制粉工艺截然不同，是将分解、合成、干燥甚至煅烧过程合并在一起的高效方法但是这些方法在如何进一步提高传热效率，并在保证细度的前提下，如何扩大产量、降低成本尚需进一步研究探索三、 氧化锆陶瓷的成型氧化锆陶瓷以其优异的高温物理和力学性能而得到广泛应用，尤其被用于苛刻条件下使用的关键部件。

由于ZrO2的导热性能低、热膨胀系数大，因此ZrO2制品的热稳定性较差但采用部分稳定ZrO2原料制得的制品晶型组成的ZrO2原料制得的陶瓷制品的热稳定性最好因此制造ZrO2结构陶瓷往往采用部分稳定ZrO2原料而不是全稳定ZrO2原料生产ZrO2结构陶瓷一般用3mo1％Y203稳定的ZrO2超细粉ZrO2结构陶瓷的成型方法有：热压铸成型、干压成型和等静压成型、注浆成型、流延成型等3.1热压铸成型对于ZrO2结构陶瓷小型产品或形状复杂的产品一般采用热压铸成型方法该成型方法比较简单，特别适宜于生产批量大或形状复杂的中小型产品但ZrO2热压铸产品排蜡时易出现开裂、变形等缺陷，这是因为ZrO2陶瓷料浆颗粒粒径较小，粉料比表面积大，调制热压铸浆料时，石蜡及油酸的加人量要明显高于其它陶瓷制品，从而造成坯体收缩大，排蜡时易出现开裂、变形等缺陷因此调试浆料时，要掌握好石蜡及油酸的加入量和加人方式，设计合理的排蜡烧成曲线及其它相关工艺参数，可以避免上述缺陷的出现3.2干压成型对形状简单、适于干压成型的中小型ZrO2陶瓷产品常采用干压方法成型ZrO2陶瓷干压时出现的常见问题是产品分层，这是因为ZrO2超细粉造粒料的颗粒很细，因而颗粒轻、流动性差，干压成型时容易出现分层现象。

从生产实践中得知，产品分层与成型模具的光洁度和配合情况、成型压力、加压方式、加压速度和保压时间、脱模方式、脱模速度均有关系，下面就上述几方面因素对干压成型的影响分述如下：a．模具的光洁度和配合情况干压成型对模具质量要求较高，首先要求模具硬度达到一定的要求由于ZrO2稳定料的颗粒很细，流动性差，因而对模具的光洁度要求很高，若光洁度达不到要求，则干压时影响料的流动，从而导致分层的出现同时，若模具配合不好，间隙大，则由于ZrO2粉料颗粒细，压制时粉料会从模具间隙中流出，从而造成模具四周的粉料少，这样压制时四周就不能压实，从而会因压力传递不一致而出现分层，故对模具的配合要求较高b．成型压力成型压力在ZrO2干压成型过程中是较关键的，压力太小和太大都不能压制出理想的坯体压力太小，则烧后产品的密度小，产品收缩大，坯体压实程度不够容易出现分层；而压力太大，坯体也容易出现裂纹、分层和脱模困难等现象合适的成型压力需要通过生产实践来摸索C．加压方式般干压成型时加压方式有两种，一种是单面加压，另一种是双面加压当单面加压时，则直接受压的一端压力大，出现明显的压力梯度，粉料的流动性越差，则坯体内出现的压力差也就越大，越容易出现分层。

双面加压时，坯体两端直接受压，因此两端密度大，中间密度小，其压力梯度的有效传递距离为单面加压的一半，故坯体的密度比单面加压要均匀得多因此ZrO2陶瓷干压成型时宜采用双面加压的方式d．加压速度和保压时间加压速度和保压时间控制不好也会造成ZrO2坯体出现分层等缺陷压模下落的速度应缓慢一些，如加压速度过快，则坯体中气体不易排出，从而导致坯体出现分层，表面致密而中间松散，以及存在气泡等现象如保压时间过短，则压力还未传到应有的深度时，外力就已卸掉，这样坯体中气体不易排出，就难以得到较为理想的坯体，会导致坯体出现分层以及存在气泡等现象同时保压时间应均匀一致，否则会引起产品厚薄不均，造成废品e．脱模方式和脱模速度干压脱模时一般采用工具将坯体从模腔中顶出，脱模速度要均匀缓慢，如不注意会引起坯体开裂实践表明脱模时脱模工具要平整，否则会引起坯体受力不均而造成开裂总之，干压成型和上述几方面因素都有关系，要成型出理想的坯体，以上各方面都要控制好3.3等静压成型对形状特殊和尺寸大的ZrO2结构陶瓷，需采用等静压成型等静压成型的坯体由于各方向所受压力均匀相等，且压力大，因此成型后的坯体密度高，均匀性好，烧成收缩小，不易变形、开裂、分层。

该成型方法可避免干压时易出现的分层，特别是成型较厚的ZrO2制品，干压时极易出现分层，而等静压成型则可避免，因此该成型方法是生产ZrO2制品常用的方法但等静压成型后的坯体需要加工，因此会浪费一部分原料，同时由于坯体很硬，加工比较麻烦，且加工速度要求缓慢，否则坯体易发生断裂，生产效率不高3.4注浆成型注浆成型的成型过程包括物理脱水过程和化学凝聚过程。