氧化锆粉体的四大制备工艺与应用

氧化锆系陶瓷材料作为先进陶瓷中最重要的一类材料，是一种现代高新技术产业发展非常重要的基础材料。随时手机5G时代的到来，氧化锆陶瓷因其手感温润如玉、抗刮耐磨、几乎无信号屏蔽、散热性能优良等特性，被应用在手机盖板、指纹模组等结构件，已成为产业的热点，让更多人关注到这种陶瓷材料。

二氧化锆有三种晶型：低温型的单斜晶（m-ZrO₂），中温型的四方晶（t-ZrO₂），高温型的立方晶（c-ZrO₂），上述三种晶型存在于不同的温度范围，并可以相互转化。

图 三种晶型相互转化温度

氧化锆陶瓷是一种新型高技术陶瓷，它除了具有高强度、硬度、耐高温、耐酸碱腐蚀及高化学稳定性等条件，同时具有抗刮耐磨、无信号屏蔽、散热性能优良等特点，同时可加工性强，外观效果好，适于批量生产。

氧化锆的熔点为2715℃，较高的熔点以及化学惰性使氧化锆可作为较好的耐火材料。

氧化锆陶瓷具有较大的硬度和较好的耐磨性。而从具体数据来看，氧化锆陶瓷莫氏硬度在8.5左右，非常接近蓝宝石9的莫氏硬度，而聚碳酸酯的莫氏硬度只有3.0，钢化玻璃的莫氏硬度5.5，铝镁合金的莫氏硬度6.0，康宁玻璃的莫氏硬度为7。

氧化锆陶瓷具有较大的强度（可达1500MPa），虽然韧性和一些金属相比有较大差距，但相比于其他陶瓷材料，氧化锆陶瓷在“陶瓷圈儿”算是佼佼者（1-35MPa.m1/2）。

氧化锆的热导率在常见陶瓷材料中最低（1.6-2.03W/（m.k）），热膨胀系数与金属接近。因此，氧化锆陶瓷适宜做结构陶瓷材料，如氧化锆陶瓷手机外观结构件。

氧化锆的介电常数是蓝宝石的3 倍，信号更灵敏，更适合指纹识别贴片等。从屏蔽效能来看，氧化锆陶瓷作为非金属材料对电磁信号没有屏蔽作用，完全不会影响内部的天线布局，可以方便的一体成型，适应5G时代的带来。

工艺流程图如下：

优势：设备工艺简单，生产成本低廉，且易于获得纯度较高的纳米级超细粉体，目前国内大部分氧化锆生产企业采用的都是这种方法。

缺点：没有解决超细粉体的硬团聚问题，粉体的分散性差，烧结活性低。

水解沉淀法分为锆盐水解沉淀和锆醇盐水解沉淀两种方法。

锆盐水解沉淀工艺流程图如下：

优点：操作简便。

缺点：反应时间较长(>48小时)，耗能较大，所得粉体也存在团聚现象。

锆醇盐水解沉淀工艺流程图如下：

优点：几乎全为一次粒子,团聚很少；粒子的大小和形状均一；化学纯度和相结构的单一性好。

缺点：原料制备工艺较为复杂，成本较高。 

工艺流程图如下：

优点：粉料粒度极细，可达到纳米级，粒度分布窄，省去了高温煅烧工序，颗粒团聚程度小。

缺点：设备复杂昂贵，反应条件较苛刻，难于实现大规模工业化生产。

溶胶-凝胶法是被广泛采用的制备超细粉体的方法。它是借助于胶体分散体系的制粉方法，形成几十纳米以下的 Zr(OH)4 胶体颗粒的稳定溶胶，再经适当处理形成包含大量水分的凝胶，后经干燥脱水、煅烧制得氧化锆超细粉。

优点：(1)粒度细微,亚微米级或更细；(2) 粒度分布窄；(3)纯度高,化学组成均匀,可达分子或原子尺度；(4)烧成温度比传统方法低400～500℃。

氧化锆陶瓷在现代工业和生活中得到广泛应用。下面我们来简单介绍下它的主要应用。

氧化锆陶瓷的无信号屏蔽、耐摔耐磨耐折，同时外观温润如玉，手感好，广泛引用于手机等3C电子领域。主要用作手机背板及其他手机结构件。

图 陶瓷手机盖板及中框

氧化锆陶瓷与金属相比，具有更好的耐磨性，且表面光洁，质感好，不氧化。瑞士著名“雷达”牌、苹果、香奈儿等知名品牌都有推出高端的陶瓷手表。

图 陶瓷表圈、表带、表壳

图 陶瓷智能穿戴外观件

目前光纤连接器接插件广泛使用陶瓷插芯和套筒。高强度和高韧性的陶瓷制备的陶瓷插芯，不但可达到高精度要求，而且使用寿命长，插入损耗和回波损耗非常低。

图 光电子封装用部件，来自三环官网

图 氧化锆陶瓷烤瓷牙及手术刀具

氧化锆陶瓷的热传导系数小，而热膨胀系数又比较大，所以用它做成发动机燃烧室的零部件有很好的隔热性，同时在热膨胀性上又与金属材料较接近。可用作缸盖底板、气缸内衬、活塞顶、气门座圈等。但是由于发动机工作条件苛刻，陶瓷部件在高温下强度变化较大，所以距离商业性应用还有一段距离。

高精密陶瓷与贵金属合金粉末混合烧制，并经过数道精密严格的工序和多次机器打磨抛光而最终融入珠宝设计中。这种陶瓷不仅轻盈耐磨，还具有抗敏感的特性，佩戴舒适。是当下最时髦的珠宝材质之一，而备受各大珠宝品牌的青睐。

很多奢侈品牌如宝格丽经典系列B.Zero1和Save The Children系列、Chanel Ultra系列、卡地亚等珠宝中都应用了陶瓷材质。

图 陶瓷珠宝，来源丁鼎制造

图 陶瓷刀

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