《氧化鋯陶瓷性能》課件

氧化鋯陶瓷性能氧化鋯陶瓷是一種先進(jìn)的工程材料，具有卓越的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性。本演示將詳細(xì)介紹其結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用。氧化鋯陶瓷簡(jiǎn)介定義氧化鋯陶瓷是以二氧化鋯為主要成分的高性能陶瓷材料。特點(diǎn)具有高強(qiáng)度、高韌性、耐磨損和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異特性。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療和日常生活等領(lǐng)域。氧化鋯的晶體結(jié)構(gòu)單斜晶系室溫下的穩(wěn)定相，呈單斜晶系結(jié)構(gòu)。四方晶系中溫相，在1170°C至2370°C之間穩(wěn)定存在。立方晶系高溫相，在2370°C以上形成，具有螢石結(jié)構(gòu)。氧化鋯陶瓷的三種相1單斜相（m-ZrO2）室溫下穩(wěn)定，但機(jī)械性能較差。2四方相（t-ZrO2）中溫穩(wěn)定，具有良好的機(jī)械性能。3立方相（c-ZrO2）高溫穩(wěn)定，具有優(yōu)異的離子導(dǎo)電性。不同相的性能特點(diǎn)單斜相熱膨脹系數(shù)大，體積變化明顯，易導(dǎo)致開(kāi)裂。四方相強(qiáng)度和韌性高，是工程應(yīng)用中最常用的相。立方相離子導(dǎo)電性好，適用于固體氧化物燃料電池。純氧化鋯陶瓷的缺陷相變開(kāi)裂冷卻時(shí)易發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致開(kāi)裂。溫度敏感性能隨溫度變化顯著，應(yīng)用受限。強(qiáng)度不足純相氧化鋯強(qiáng)度較低，不適合高負(fù)荷應(yīng)用。摻雜改性的重要性相穩(wěn)定性抑制相變，提高室溫穩(wěn)定性。機(jī)械性能增強(qiáng)強(qiáng)度和韌性，提高可靠性。功能特性改善電學(xué)、光學(xué)等特性，拓展應(yīng)用。摻雜元素的選擇1稀土元素如釔、鈰、鑭等2堿土元素如鎂、鈣等3過(guò)渡金屬如鐵、銅等4其他氧化物如氧化鋁等摻雜方式與機(jī)理固溶替代摻雜離子替代鋯離子，形成固溶體。間隙填充小尺寸離子填充晶格間隙，改變結(jié)構(gòu)。晶界偏聚摻雜元素在晶界富集，影響界面性質(zhì)。常見(jiàn)摻雜氧化鋯陶瓷1釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）最常用的摻雜體系，性能全面。2鎂穩(wěn)定氧化鋯（MSZ）成本較低，適用于耐火材料。3鈰穩(wěn)定氧化鋯（CSZ）具有良好的離子導(dǎo)電性。4鈣穩(wěn)定氧化鋯（CaO-ZrO2）高溫應(yīng)用中的優(yōu)選材料。釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷1部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）含2-3mol%Y2O32四方氧化鋯多晶陶瓷（TZP）含3-4mol%Y2O33完全穩(wěn)定氧化鋯（FSZ）含8mol%以上Y2O3釔穩(wěn)定氧化鋯的結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)Y3+替代Zr4+，產(chǎn)生氧空位，穩(wěn)定高溫相。晶界特征釔離子在晶界富集，影響界面性質(zhì)。相分布四方相和立方相共存，比例取決于釔含量。釔穩(wěn)定氧化鋯的優(yōu)點(diǎn)高強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上。高韌性斷裂韌性可達(dá)5-10MPa·m1/2。高溫穩(wěn)定可在1000°C以上長(zhǎng)期使用?；瘜W(xué)穩(wěn)定耐腐蝕，適用于惡劣環(huán)境。釔穩(wěn)定氧化鋯的性能性能指標(biāo)典型值密度6.0-6.1g/cm3硬度1200-1300HV彈性模量200-210GPa熱膨脹系數(shù)10-11×10??/K熱導(dǎo)率2-3W/m·K其他摻雜氧化鋯陶瓷鎂穩(wěn)定氧化鋯（MSZ）成本低，熱震性好，適用于耐火材料。鈰穩(wěn)定氧化鋯（CSZ）離子導(dǎo)電性好，適用于氧傳感器。鈣穩(wěn)定氧化鋯（CaO-ZrO2）高溫穩(wěn)定性好，適用于冶金行業(yè)。納米氧化鋯陶瓷定義晶粒尺寸在100nm以下的氧化鋯陶瓷。特點(diǎn)具有超高強(qiáng)度、韌性和低溫?zé)Y(jié)特性。應(yīng)用用于精密零件、生物陶瓷和傳感器等領(lǐng)域。納米氧化鋯的合成化學(xué)沉淀法通過(guò)沉淀反應(yīng)制備納米粉體。水熱合成法在高溫高壓下合成納米晶體。溶膠-凝膠法通過(guò)溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z制備納米材料。等離子體法利用高溫等離子體快速合成納米粉體。納米氧化鋯的性能超高強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度可達(dá)2000MPa以上。優(yōu)異韌性斷裂韌性可達(dá)15MPa·m1/2。低溫?zé)Y(jié)燒結(jié)溫度可降至1200°C以下。超塑性在特定條件下可展現(xiàn)超塑性變形。氧化鋯陶瓷的制備工藝1粉體制備合成或選擇合適的氧化鋯粉體。2成型將粉體壓制或注漿成型為所需形狀。3燒結(jié)在高溫下燒結(jié)，形成致密陶瓷體。4后處理進(jìn)行機(jī)械加工、表面處理等。固態(tài)燒結(jié)法工藝步驟粉體混合壓制成型高溫?zé)Y(jié)優(yōu)點(diǎn)工藝簡(jiǎn)單，適合大批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)燒結(jié)溫度高，晶粒易長(zhǎng)大。溶膠-凝膠法1溶膠制備制備含鋯前驅(qū)體的溶膠。2凝膠化溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3干燥去除凝膠中的溶劑。4熱處理燒結(jié)形成致密陶瓷。電泳沉積法1懸浮液制備制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粒子懸浮液。2電極設(shè)置在懸浮液中放置陽(yáng)極和陰極。3電泳沉積通電使帶電粒子向電極移動(dòng)并沉積。4后處理干燥和燒結(jié)沉積層形成致密陶瓷。噴霧熱解法霧化將前驅(qū)體溶液霧化成微小液滴。熱分解液滴在高溫下快速分解。粉體形成形成納米級(jí)氧化鋯粉體。燒結(jié)收集粉體并進(jìn)行后續(xù)燒結(jié)。應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展趨勢(shì)結(jié)構(gòu)陶瓷機(jī)械零件軸承、閥門、切削刀具等。耐火材料高溫爐襯、熔融金屬容器等。防護(hù)材料防彈陶瓷、防護(hù)涂層等。功能陶瓷固體電解質(zhì)用于固體氧化物燃料電池、氧傳感器。熱障涂層用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)葉片。光學(xué)材料用于光纖連接器、激光器部件。生物醫(yī)用陶瓷牙科材料用于牙冠、種植體等。骨科材料用于人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)。醫(yī)療器械用于手術(shù)刀、內(nèi)窺鏡部件。未來(lái)發(fā)展方向復(fù)合化開(kāi)發(fā)氧化鋯基復(fù)合陶瓷，提高性能。功能化開(kāi)發(fā)多功能氧化鋯陶瓷，拓展應(yīng)用。