浅谈掺杂氧化锆的性能及应用

在纷繁多彩的陶瓷材料世界里，氧化锆陶瓷一直是一颗耀眼而独特的明珠。通过元素掺杂，氧化锆陶瓷可以设计出不同的结构性能或光学、电学以及热学性能。而这与它的晶体学特性是密切相关的。

从晶相结构上来说，氧化锆随着温度的

升高可以呈现三种热力学稳定态：

● 单斜(Monoclinic)氧化锆( m- ZrO₂ )

● 四方(Tetragonal)氧化锆( t- ZrO₂)

● 立方(Cubic)氧化锆( c- ZrO₂ )

其中，当纯氧化锆随着温度降低从四方相转变为单斜相时，会产生3-5%的体积膨胀和1-7%的剪切应变增加，从而导致氧化锆制品的开裂。通过加入稳定剂，可使氧化锆在常温下稳定在四方相或立方相，而避免了体积变化造成的开裂问题。常见的稳定剂有氧化钙、氧化镁、氧化钇、氧化铈等。他们的稳定原理基本是通过固溶在氧化锆晶格中，由于掺杂离子与锆离子的离子半径、配位数等方面的差异，影响了原有的晶体结构，使氧化锆 “锁定”在了四方相或立方相，从而达到了一种亚稳定状态。

按照不同稳定剂区分

钙稳定氧化锆 & 镁稳定氧化锆：

多用于耐火耐高温应用。

钇稳定氧化锆 & 铈稳定氧化锆：

多用于结构陶瓷及其它特殊应用。

其中，铈稳定氧化锆的结构件制品，更多的是由于某时期氧化钇价格暴涨，而不得不转向开发的替代产品，其最终的材料机械性能是低于钇稳定氧化锆的。并且由于氧化铈的掺杂，铈稳定氧化锆会出现深浅不一的黄褐或黑色，对成品的颜色稳定性也造成了一定的干扰。基于钇稳定氧化锆制品的优良性能，且目前氧化钇价格平稳，供应稳定，所以钇稳定氧化锆仍然是市场主流的需求产品。

按稳定剂掺杂比例区分

以钇稳定氧化锆为例，按照氧化钇稳定剂的掺杂比例不同，常见的钇稳定氧化锆有3mol%、5mol%、8mol%。随着氧化钇掺杂量的变化，氧化锆陶瓷可在常温下稳定在不同的晶相状态，同时也表现出了不同的性能。

mol% 摩尔百分比

Tips：mol%是摩尔百分比，是将物质的计量方式从质量换算为物质的量后，计算出的在混合中的比例。mol是物质的量的单位，物质的量（n）与质量（m）通过摩尔质量（M）进行换算：n=m/M。摩尔质量在数值上等于该物质的相对原子质量或相对分子质量。

从上图中可以看出当氧化钇含量为3mol%时，此时稳定锆的抗弯强度最高，同时具有高韧性、高硬度和耐磨性。所以我们平时常见的氧化锆陶瓷刀、陶瓷牙、陶瓷结构件大多为此种材料。

圣戈班西普提供完善的3mol%系列氧化锆粉体产品（CY3Z和GY3Z系列）。该系列的粉体活性好，烧结后的陶瓷成品强度高，色泽一致性好，现被广泛应用于制造各类结构件及3D打印产品。

CY3Z

钇稳定氧化锆粉体

GY3Z

钇稳定氧化锆

造粒粉

产品应用

如果需要其他方面的优异性能，例如透光率、离子导电性、水热性能等，就需要调整氧化钇的含量了。一般来讲，随着钇含量的继续上升，透光率、离子导电性和水热性能等会随之提高，但同时，陶瓷强度和硬度则会下降，所以如何平衡好其他性能的需求和陶瓷的机械性能就成了关键。

圣戈班西普(ZirPro)有CY5Z，CY8Z及CYnZ系列的粉体产品，通过严格的化学工艺设计，精心控制氧化钇的掺杂和氧化锆的晶体状态。这些系列的氧化锆粉体，可适用于压制、流延、注塑、3D打印等多种加工工艺，制成的陶瓷成品在满足优越的光电热性能的同时，也保有良好的结构性能，可机加工性强，持久耐用，现被广泛应用于离子导体、燃料电池、热障涂层等应用领域。