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深化纳米复合氧化锆的应用

 

      纳米级复合氧化锆（钇稳定氧化锆VK-R30Y3,R30Y5,R30Y8）相比普通的复合氧化锆粒径更小，达到纳米级别，其更高的附加使用价值及各种应用市场规模正在被快速开发。下面介绍下纳米复合氧化锆的主要应用领域。

晶瑞新材料 甘先生18620162680（微）

齿科材料 

 

纳米复合ZrO2可明显提高陶瓷的室温强度和应力强度因子，从而使陶瓷韧性成倍提高。利用纳米复合ZrO2制备的复合生物陶瓷材料具有较好的力学性能、化学稳定性、生物相容性，是一种很有应用前景的复合型生物陶瓷材料，尤其在齿科材料和人工关节等方面。

 

氧化锆增韧陶瓷作为一种新型精细陶瓷，具有良好的机械性能(断裂韧性、强度、硬度等)、生物相容性和稳定性、美观性、热导性和成形性，能很好解决常规全瓷冠材料强度和韧性不足的问题。其次，其作为一种优良的生物惰性陶瓷，无论是作为口腔修复体还是植入体均表现出优异的化学稳定性能，完全满足作为口腔修复材料的标准。

 

人工关节 

 

ZrO2陶瓷于20世纪80年代中期开始应用于人工关节，由于氧化锆存在三种晶形，并且在晶形转化的时候会引起体积，使材料容易发生开裂，产生裂纹，影响其作为人工关节的使用寿命。因此和齿类材料一样，纯的氧化锆也不能作为人工关节材料使用。为了提高氧化锆的稳定性，通过热处理和添加一些掺杂稳定剂，如Y2O3、CeO2、MgO等，来稳定其晶体结构，使其在常温下能保持四方相，增强其机械强度。

 

最初的陶瓷人工关节并不完善，到目前为止已经经历了四代工艺改进，逐渐趋于完善。第四代人工陶瓷关节复合了氧化锆等数种氧化晶体材料，其性能已较大幅度地优越于第三代陶瓷关节，具有良好的韧性和强度，是目前应用于临床髋关节置换的最好的假体材料。

 

燃料电池 

 

固体氧化物燃料电池用锆基电解质是SOFC中应用最为广泛，研究最多的电解质材料。立方稳定复合ZrO2基电解质材料拥有极大的离子电导率，在高温下、氧化和还原气氛中保持良好的化学稳定性，并且在很大的氧分压范围内具有纯的氧离子导电特性，同时具有很好的机械加工强度，可制作成致密膜电解质，因此其满足了固体氧化物燃料电池的几乎所有要求，成为制备SOFC电解质材料的首选，是固体氧化物燃料电池的核心部件。其电解质材料为钇稳定纳米氧化锆（YSZ），正极为YSZ表面镀Ni等金属，适用于中大型燃料发电项目。

 

 氧传感器 

 

采用氧化锆制成的传感器有良好的导电性，在控制汽车尾气、电厂锅炉的燃烧上起到重要作用。氧化锆式氧传感器是基于氧化锆固体电解质的材料特性来检测尾气中氧浓度的，按检测空燃比数值的范围不同分为：窄型氧传感器和宽型氧传感器。氧化锆式氧传感器是目前最成熟，产量最大的一种氧传感器。是汽车排放控制系统中的关键部件之一。

 

耐火材料 

 

由于氧化锆的熔点高、导热系数低、化学性能稳定，所以常用做耐火材料。用纳米氧化锆制备的耐火材料优势更加显著，耐高温（使用温度可达2200℃）、强度高、绝热性能好、化学稳定性优，主要用于操作温度在2000℃以上的环境中。

 

汽车尾气净化催化剂助剂 

 

汽车尾气净化催化剂一般由三个部分组成：载体（董青石、氧化铝）、助催化剂（纳米涂层增大比表面积、同时作为储氢材料）、催化剂（一般汽油车为铂钯铑等，柴油车为钒钨钛等）。其中锆铈固溶体复合氧化物材料作为助催化剂使用，是十分重要的涂层材料。

 

 坩埚 

 

在冶炼稀有、难熔贵金属及合金时，由于需要加热到较高温度，一般材料难以满足要求，采用氧化锆制成的坩埚可加热到2430℃，氧化锆成为高温条件下使用坩埚的首选材料。

 

特种刀具 

 

陶瓷刀具在20世纪初期即有使用，但因其脆性局限其使用范围。近年来，随着纳米复合氧化锆复合材料的进步，其韧性大幅改善。陶瓷刀从原有的航空航天等高科技领域开始扩大到工业陶瓷刀具，现在，已广泛应用于日常生活领域中。氧化锆可加工成各种刀具，在有传统金属刀具优点同时，还具有不生锈、健康、耐磨等优点，被誉为陶瓷钢。

 

特种机械零部件 

 

陶瓷材料的脆性限制了其应用发展，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性一种非常重要的途径。实验证明，可以利用ZrO2四方相相变为单斜相产生显微裂痕和残余应力对陶瓷进行增韧。当ZrO2颗粒在纳米级时转变温度可降到室温以下。因此纳米ZrO2能够明显提高陶瓷的室温强度和应力强度因子，从而使陶瓷韧性成倍提高。特种超韧型纳米复合氧化锆在轴承、轴套、阀球、壳体等领域有广泛应用。

 

光纤连接器陶瓷插芯 

 

纳米氧化钇稳定氧化锆粉体，因其优异的力学性能、化学稳定性和极高的精密度等，可以用来制备光纤连接器的稀土结构陶瓷光纤插芯（精密针）和套筒，是光纤网络中应用面广并且需求量大的光纤无源器，是信息网络基础设施建设的重要组成部分。 

 

移动终端产品 

 

随着5G、无线充电等新型传输方式的临近，无线频段越来越复杂，金属机壳屏蔽将成为重大瓶颈。布局严格要求的5G天线，需要变换现有的金属机壳材质，陶瓷和玻璃都将成为可选方案。同时对于无线充电技术来讲，金属材料也是非常不友好的。因为目前大多数无线充电技术均采用电磁波原料，而金属对于电磁波会造成干扰，使得充电效率大大降低。可替代材料有塑料、玻璃和陶瓷。塑料易有刮痕，玻璃易碎，陶瓷材料凭借其优异的物理特性正逐步渗透到智能手机的外观件领域。

 

除此之外，氧化锆陶瓷由于其耐磨，亲肤以及独特的美感，非常适合应用于智能穿戴设备，如智能手表、手环等。