氧化鋯陶瓷(ZrO2)

　　二氧化鋯，化學式：ZrO2，是鋯的主要氧化物，通常狀況下為白色無臭無味晶體，難溶于水、鹽酸和稀硫酸。一般常含有少量的二氧化鉿。化學性質不活潑，且具有高熔點、高電阻率、高折射率和低熱膨脹系數的性質，使它成為重要的耐高溫材料、陶瓷絕緣材料和陶瓷遮光劑，亦是人工鉆的主要原料。能帶間隙大約為5-7eV。

　　一、物理性質

　　二氧化鋯結構性狀： 白色重質無定形粉末。無臭。無味。溶于2份硫酸和1份水的混合液中，微溶于鹽酸和硝酸，慢溶于氫氟酸，幾乎不溶于水。有刺激性。相對密度5.85。熔點 2680 ℃。沸點4300 ℃。硬度次于金剛石。分子結構：低溫時為單斜晶系，在1100℃以上形成四方晶型，在1900℃以上形成立方晶型。

　　二、化學性質

　　1.由灼燒二氧化鋯水合物或揮發性含氧酸鋯鹽所得的二氧化鋯為白色粉末，不溶于水

　　ZrO2·xH2OZrO2+xH2O；

　　2.經由輕度灼燒所得的二氧化鋯，比較容易被無機酸溶解

　　ZrO2+4H+=Zr4++2H2O

　　強熱灼燒所得的二氧化鋯只溶于濃硫酸和氫氟酸，經過熔融重結晶的二氧化鋯只與氫氟酸作用；

　　3.二氧化鋯是一種兩性氧化物，與堿共熔可形成鋯酸鹽，但鋯酸鹽遇水容易水解為ZrO2·xH2O而沉淀。

　　ZrO2+2NaOH=Na2ZrO3+H2O

　　Na.ZrO3+H2O=ZrO2+NaOH；

　　4.二氧化鋯與碳和氯氣高溫反應，或者與四氯化碳反應，生成四氯化鋯及二氯氧化鋯，水解又得到二氧化鋯

　　3ZrO2+2C+4Cl2=ZrCl4+2CO2+2ZrOCl2；

　　5.它在電弧中與碳作用生成碳化鋯

　　ZrO2+2C=CO2+ZrC；

　　6. 成斜鋯石型的ZrO2是黃色或棕色單色斜晶體不溶于水、鹽酸和稀硫酸，溶于熱濃氫氟酸、硝酸和硫酸。與堿共熔生成鋯酸鹽。化學性質很穩定。用于制陶瓷、搪瓷、耐火材料。可由鋯英石與純堿共熔，用水浸出鋯酸鈉，與鹽酸作用成二氯氧化鋯，再煅燒而制得。

　　三、應用領域

　　1.金屬鋯及其化合物的原料

　　用于制金屬鋯和鋯化合物、制耐火磚和坩鍋、高頻陶瓷、研磨材料、陶瓷顏料和鋯酸鹽等主要用于壓電陶瓷制品、日用陶瓷、耐火材料及貴重金屬熔煉用的鋯磚、鋯管、坩堝等。也用于生產鋼及有色金屬、光學玻璃和二氧化鋯纖維。還用于陶瓷顏料、靜電涂料及烤漆。用于環氧樹脂中可增加耐熱鹽水的腐蝕。

　　2.耐火材料

　　氧化鋯纖維是一種多晶質耐火纖維材料。由于ZrO2物質本身的高熔點、不氧化和其他高溫優良特性，使得ZrO2纖維具有比氧化鋁纖維、莫來石纖維、硅酸鋁纖維等其他耐火纖維品種更高的使用溫度。氧化鋯纖維在1500 ℃以上的高溫氧化氣氛下長期使用，使用溫度達到2200 ℃，甚至到2500 ℃仍可保持完整的纖維形狀，并且高溫化學性質穩定、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震、不揮發、無污染，是目前國際上的一種耐火纖維材料。 ZrO2的耐酸堿腐蝕能力大大強于SiO2和Al2O3。不溶于水，溶于硫酸及氫氟酸；微溶于鹽酸和硝酸。能與堿共熔生成鋯酸鹽。

　　3.燃氣輪機

　　等離子噴涂二氧化鋯熱障涂層在航空及工業用燃氣輪機上的應用已有很大進展，在限度內已經用于燃氣輪機的渦輪部分。由于這種涂層可以降低氣冷高溫部件的溫度50~200 ℃，因此可以顯著地改善高溫部件的耐久性,或者容許提高燃氣溫度或減少冷卻氣體的需用量而保持高溫部件所承受的溫度不變，從而提高發動機的效率。

　　4.陶瓷材料

　　因為氧化鋯的折射率大、熔點高、耐蝕性強，故用于窯業原料。壓電陶瓷制品有濾波器、揚聲器超聲波水聲探測器等。還有日用陶瓷（工業陶瓷釉藥）、貴重金屬熔煉用的鋯磚及鋯管等。納米級氧化鋯還可以用作拋光劑、磨粒、壓電陶瓷、精密陶瓷、陶瓷釉料和高溫顏料的基質材料。

　　5.其他

　　此外氧化鋯可用于白熱煤氣燈罩、搪瓷、白色玻璃、耐火坩堝等的制造。X射線照相。研磨材料。與釔一起用以制造紅外線光譜儀中的光源燈，厚膜電路電容材料，壓電晶體換能器配方。

　　四、生產方法

　　1.氯氧化鋯熱解法：鋯英石與燒堿在650℃熔融，熱水浸出熔融體，硅呈硅酸鈉形態與鋯酸鈉分離。再用硫酸處理，得硫酸鋯溶液，進一步除雜質后加氨水，沉淀出氫氧化鋯。加鹽酸溶解氫氧化鋯，得到氯氧化鋯，經蒸發濃縮、冷卻結晶、粉碎、焙燒，即得二氧化鋯成品；另外，還可以將易提純的鋯化合物熱分解或氧化分解，以制備高純氧化鋯。

　　2.膠體法：在氧化鋯溶液中，加入二氧化硅溶膠配成膠體溶液，經噴吹、拉絲法成型，經干燥后燒結成纖維。

　　3.擠壓法：將氧化鋯溶膠或氧化鋯粒子和增稠劑制成坯，利用液壓或利用螺旋絞刀的推進作用將坯料從機型口擠出并成細絲，再經燒結固化即成纖維。該法制得的纖維較粗，纖維的強度也較低。

　　4.浸漬法：先將黏膠絲或整個織物長時間浸泡在氫氧化鋯溶液中，使黏膠纖維溶脹，然后經熱解、煅燒即得到拉伸強度的氧化鋯纖維。

　　5.水解法：以氧氯化鋯為原料水解制備高純細二氧化鋯，將0.2~0.3 mol/L的高純氧氯化鋯溶液加去離子水水解，并長時間煮沸氧氯化鋯溶液，使水解生成的氯化氫不斷蒸發除去，水解反應在沸騰下進行50 h以上，再過濾，用去離子水洗、干燥、煅燒粉碎，制得產品。

　　6.高溫水解法：將1 mol/L的高純氧氯化鋯溶液噴入溫度為1000 ℃的分解爐中，微小的氧氯化鋯液滴先是水分蒸發，然后水解生成二氧化鋯。分解后的二氧化鋯經旋風分離器收集，再經酸洗、水洗、烘干，得產品。

　　7.溶膠-凝膠法：在鋯醇[ZrO(C3H7)4]中加入醇和水，再加入催化劑，經充分混合后，開始分解，放置使其膠化及成黏稠液體，選擇適當黏度，進行干燥再加熱至500~1000 ℃，高溫度纖維化燒成即得產品。

　　8.醇鹽水解法：以四氯化鋯、氨和丙醇為原料制備高純細二氧化鋯，在苯溶劑存在下將高純四氯化鋯和丙醇、氨于5 ℃反應制得鋯醇鹽，經過濾分離除去氯化銨，再加水水解沉淀、過濾，不小于100 ℃干燥、煅燒、粉碎得產品，水解條件直接影響產品粒徑、形狀和凝聚狀況。該法可制得粒子大小和形狀均勻、結構相單一的ZrO2。

　　9.將氧氯化鋯（ZrCl2O·8H2O）用鹽酸或甲醇重結晶，經高溫煅燒，制得成品。

　　10.將四烷氧基鋯蒸餾提純，其蒸氣在350~500 ℃分解，得成品。

　　11.將四氯化鋯蒸餾提純，其蒸氣與過量氧氣在1200 ℃反應，得二氧化鋯。

　　五、制取工藝

　　工業用耐火材料的穩定氧化鋯，大多數用電熔法制取。在鋯英石電熔過程中加入碳及穩定劑氧化鈣，在除硅的同時，氧化鋯和氧化鈣作用生成固溶體，再經粉碎和整粒處理，即可制得穩定氧化鋯。精細陶瓷所用的穩定和部分穩定氧化鋯一般采用濕法制取。目前比較成熟和常用的是中和沉淀法，其制取工藝見圖。將提純過的氯氧化鋯用純水溶解，過濾除去不溶物，調整溶液中的鋯濃度，并加入需要量的氯化釔溶液（或其他稀土金屬或堿土金屬的氯化物溶液）后，加氨水中和沉淀。沉淀物用熱水洗滌后，再經過濾、干燥和煅燒。煅燒產品經粉碎等處理便可獲得微細的穩定氧化鋯粉末。

　　部分穩定氧化鋯是控制加入穩定劑的量，使其不能達到完全穩定而制得的。部分穩定氧化鋯具有高強度和抗熱震性能，在結構陶瓷中有著相當廣泛的用途。