您是否对以下先进材料感兴趣？ 氧化锆? 氧化锆是一种广泛应用的陶瓷材料，具有优异的耐久性、耐腐蚀性和热稳定性。
据研究， 氧化锆市场价值 2023年接近57亿美元，预计到2030年将达到90.3亿美元，可见氧化锆具有非常好的发展前景。
阅读下面的文章，你将对 氧化锆 .
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如果您没有时间阅读大量文本，我们准备了一些常见的用户问题，可能会对您有所帮助！
什么是氧化锆？
氧化锆（Zirconia） 锆英石，化学式为ZrO2，是一种白色结晶的氧化锆，是一种用途广泛的陶瓷材料，有“陶瓷钢”之称。 氧化锆 锆石最初是以天然斜锆石的形式被发现的。当然，我们也可以用化学方法从锆石中提取锆石。天然 氧化锆 纯度很低，往往含有很多杂质。通过人工合成 氧化锆，可得到纯度更高的氧化锆。
氧化锆的晶体结构
氧化锆具有非常独特的晶体结构，在不同温度下会呈现三种主要晶相：
- 从室温到1170°C，氧化锆呈单斜晶系：
室温下，氧化锆通常处于单斜相，这是最稳定的形式。单斜相是一种不对称的晶体结构，对于一些需要高抗裂性和隔热性能的应用非常友好。然而，单斜相的各向异性热膨胀可能会导致其在某些应用中性能不佳。
- 从1170°C到2370℃，氧化锆呈现四方相：
随着温度升高，当温度超过1170℃时，氧化锆会从单斜相转变为四方晶体结构。这种结构对称性更好，但随着结构体积的减小，若不加以处理，很容易因应力作用而开裂。然而，通过添加氧化钇等掺杂剂可以稳定四方相，有效防止材料冷却后变回单斜相，即使在室温下也能充分利用四方相独特的力学性能。
- 在2370°C以上至熔点时，氧化锆呈现立方相：
如果氧化锆被加热到2370°C以上，它将呈现立方晶相。这种结构具有高度的对称性，特别适合高温应用，例如固体氧化物燃料电池（SOFC）。
延伸阅读： 什么是立方氧化锆？
为了获得更加稳定的性能，现代工业中通常会添加氧化钇Y2O3等稳定剂来稳定氧化锆的晶体结构，这种稳定化的氧化锆具有更好的力学性能和热稳定性，尤其是钇稳定化氧化锆（YSZ），已成为目前商业化氧化锆材料中应用最广泛的一种。
不同类型和等级的氧化锆
氧化锆有多种类型，让我带您了解每种类型的独特优点。
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类型 |
稳定剂 |
断裂韧性(MPa·m/2) |
硬度(GPa) |
抗压强度（MPa） |
热膨胀系数 （x10-6/千焦） |
适用温度（℃） |
|
钇稳定氧化锆（YSZ） |
3-8mol%Y2O3 |
8-10 |
12-13 |
1200-1300
|
10.5-11.0 |
1000-1200 |
|
镁稳定氧化锆（Mg-PSZ） |
8-10mol%MgO |
12-15 |
11-12 |
1000-1200 |
9.0-10.0 |
1200-1400 |
|
钙稳定氧化锆（Ca-PSZ） |
1-3mol%CaO |
5-8 |
10-11 |
800-1000 |
9.5-10.5 |
1200-1400 |
|
铈稳定氧化锆（Ce-PSZ） |
8-16mol%CeO2 |
10-14 |
12-13 |
1200-1400 |
10.0-10.5 |
1000-1200 |
|
氧化锆增韧氧化铝（ZTA） |
10-30%ZrO2 |
4-6 |
16-18 |
2000-2500 |
8.0-8.5 |
800-1000 |
钇稳定氧化锆（YSZ）
这是最常见的商业化氧化锆材料，通常通过添加3-8 mol·%氧化钇进行稳定化。钇稳定化氧化锆（YSZ）的机械强度可达1200 MPa，断裂韧性为8-10 MPa·m1/2。您可以用它制造高精度牙科修复体、工业精密零件、高温传感器元件等。
延伸阅读： 氧化钇稳定氧化锆
镁稳定氧化锆（Mg-PSZ）
如果您的应用需要更高的韧性，镁稳定氧化锆 (Mg-PSZ) 是您的最佳选择。Mg-PSZ 通常使用 8-10 mol·% 氧化镁进行稳定，具有优异的抗热震性和更高的断裂韧性（15 MPa·m1/2）。您可以选择将其用于耐火材料、高温阀门部件以及磨球和研磨介质。
氧化锆增韧氧化铝（ZTA）
ZTA是一种融合了两种陶瓷材料优点的复合材料，含有10-30%氧化锆颗粒，硬度高达18GPa，韧性显著提高，适用于各种高性能切削刀具、生物医学植入物及耐磨部件。
氧化钙稳定氧化锆
在氧化锆中添加少量氧化钙，可以部分或完全稳定四方或立方氧化锆，提高其承受高温冲击的能力。虽然其强度和韧性不如氧化铈和氧化钇稳定的氧化锆，但其具有良好的抗热震性，常用于高温窑炉内衬和耐火材料应用。
二氧化铈稳定氧化锆
氧化铈的添加可以有效抑制氧化锆的晶相转变，增强氧化锆的韧性和稳定性。与氧化铈稳定的氧化锆相比，氧化铈对四方和立方氧化锆的稳定能力更强。氧化铈稳定的氧化锆具有极高的韧性，因此被称为“相变增韧陶瓷”。当裂纹扩展时，晶相的四方转变可以吸收裂纹的能量，从而抑制裂纹的扩展。
二氧化铈稳定的氧化锆在高温下表现出较高的氧离子传导性，在固体氧化物燃料电池（SOFC）领域发挥着非常重要的作用。
氧化锆的特性
作为最常见的先进陶瓷材料之一，你最想了解氧化锆的哪些性能呢？下面我们将为大家详细讲解氧化锆的各种性能。
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特征 |
价值 |
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密度 |
6.05克/立方厘米 |
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熔点 |
2370°C |
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热导率 |
2-3瓦/米·开尔文 |
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硬度 |
13 GPa |
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抗弯强度 |
1200兆帕 |
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断裂韧性 |
8兆帕·米1/2 |
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热膨胀 |
10.5× 10-6 /开尔文 |
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介电常数 |
25（1 MHz 时） |
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体积电阻率 |
1010Ω ·厘米 |
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化学稳定性 |
出色的 |
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生物相容性 |
好的 |
机械性能
氧化锆具有极强的机械性能。其硬度可达13 GPa，抗弯强度高达1200 MPa，断裂韧性为8 MPa·m1/2。这些优异的机械性能意味着氧化锆具有超强的耐磨性和抗断裂性，使其能够应用于一些高强度应用领域。
物理性质
如果您的应用对材料的物理性能要求较高，那么氧化锆一定不会让您失望。氧化锆的基本物理性能如下：
密度：6.05克/立方厘米
熔点：2370℃
热导率：2-3W/m·K
这些特性使得氧化锆更适合一些高温精密工程。
耐腐蚀性和生物相容性
氧化锆具有优异的耐腐蚀性和极高的化学稳定性。它还具有良好的生物相容性。用作植入物时，它可以降低人体的过敏率。这就是为什么它经常出现在医疗植入物和化学设备中。
氧化锆应用
氧化锆在牙科中的应用
想知道为什么大多数牙医选择氧化锆作为材料吗？在过去的20年里，氧化锆彻底改变了牙齿修复领域。
氧化锆牙冠和牙桥
氧化锆可以制成牙冠、牙桥，又可细分为全瓷氧化锆、层状氧化锆。
全瓷氧化锆：如果您选择全瓷氧化锆，它能赋予您高达1200MPa的强度，而且完全不含金属，降低您过敏的几率，外观上具有自然的牙齿美学效果，您可以放心使用15年以上。
多层氧化锆：如果您追求更佳的美观效果，那么多层氧化锆是更好的选择。它的内层能够提供强大的支撑力，而外层的瓷层则能赋予您自然美观的牙齿。同时，它还能定制颜色和透明度，打造更接近天然牙齿的光学效果。
氧化锆相较于传统材料的优势：与金属烤瓷冠（PFM）相比，氧化锆不会在牙龈边缘产生黑线，带来更佳的美观体验。同时，氧化锆具有更好的生物相容性，大大降低金属过敏风险，并且氧化锆比传统金属更坚固。
牙种植体
氧化锆作为植入物具有很大的优势，它可以为您带来：
- 更优异的生物相容性
- 更适合您的软组织
- 可以降低细菌附着的概率
- 更自然的美学效果
氧化锆与钛种植体相比的优势：
与传统钛种植体相比，氧化锆种植体过敏风险更低，骨结合率也更接近，可以减少炎症的困扰。
临床数据显示，氧化锆种植体的成功率超过95%，使用寿命可稳定达到20年以上，且植入后骨结合稳定，并发症发生率较低。
氧化锆工业应用
您知道为什么氧化锆在业界被称为“超级材料”吗？如果您了解它的各种应用，您就会明白，这个称号实至名归！
耐火材料和高温应用
氧化锆在各种极端高温环境中均展现出优异的性能，可承受1000-2000℃的持续高温，同时具有优异的抗热震性能，即使250℃的骤变温度依然稳定。
当您将其用于高温炉内衬时，它可以大大延长您设备的使用寿命；在玻璃工业中，氧化锆还可用作熔化槽和导轨；在冶金工业中，它还可用作浇注系统的关键部件。
切削工具和刀具
氧化锆极其坚硬，且韧性很高，因此可以制成切削工具和刀具。
极其精密的氧化锆刀具可以达到亚微米的切割精度，适用于碳纤维、陶瓷等难加工材料的精密加工。
即使是普通的氧化锆刀，其使用寿命也比传统金属高出许多倍，而且不会生锈、无毒，为您提供食品安全。
延伸阅读： 陶瓷刀综合指南
精密轴承和阀门
在精密机械领域，氧化锆也极其关键。
氧化锆作为轴承，其使用寿命比传统钢轴承高5-10倍，而且氧化锆的自润滑性可以减少润滑油的使用。
最重要的是氧化锆的最大压力可达2000MPa，可以在极端环境下工作。
作为阀门，在化工、石油等一些腐蚀性环境中，氧化锆具有优良的密封性能，泄漏率几乎为零。
延伸阅读： 氧化锆轴承与钢轴承
实验室设备
为什么实验室离不开氧化锆？继续阅读，您将找到答案。
- 氧化锆制成的坩埚可以承受极端温度和腐蚀环境
- 制成研磨介质，可确保更高的纯度，避免样品污染
- 制成实验室容器，具有更好的化学惰性，不会与试剂发生反应
- 制成测试设备组件，可提高准确性，使数据更可靠
- 而且氧化锆产品的使用寿命非常长，性价比很高。
燃料电池和传感器
在新能源领域，氧化锆也发挥着关键作用。它是固体氧化物燃料电池的核心电解质材料，具有优异的离子导电性和较高的能量转换效率。它是氧传感器的关键功能材料，可用于汽车尾气检测。它是一种高温气体传感器，即使在800℃的高温下也能稳定工作。
在一些特定领域，氧化锆的使用寿命可达5万小时以上。
延伸阅读： 氧化锆陶瓷的用途
氧化锆制造工艺
那么，氧化锆是如何制造出来的呢？让我们仔细看看这个复杂的制造过程。
原材料提取和加工
锆英石矿石的原料需要经过加工处理。首先，通过机械破碎设备将锆英石矿石破碎成小颗粒。然后，利用锆英石矿石与杂质之间的密度差异，通过重力分选技术快速去除不需要的杂质。当然，一些强磁性杂质，例如一些铁矿物杂质，也可以通过锆英石的弱磁性去除。
化学分解
化学分解主要有三种方法：化学分解、热分解和机械分解。化学分解主要是将锆英石矿石与碱或酸反应，转化为锆酸钠或锆酸铵等可溶性化合物；热分解是在高温下对矿物进行热分解，破坏其晶体结构，使其更易于提纯；机械分解是将锆英石通过球磨粉碎，增加反应表面积。
净化过程
纯化工艺分为溶解分离、化学沉淀和除杂三个步骤。分解后的锆化合物需溶于水或酸性溶液中，形成可溶性锆盐；然后加入沉淀剂（如氨水或草酸），使锆盐沉淀为不溶性锆化合物，如氢氧化锆或草酸锆。最后，通过离子交换技术进一步去除杂质。
氧化锆合成
氧化锆的工业合成方法很多，主要有以下几种方法。
热解离法：利用高温将锆盐分解为氧化锆，形成致密的颗粒。
氯化法：将锆矿转化为氯化锆，再热解为氧化锆；此工艺纯度高，但成本也较高
碳化工艺：将锆矿在碳中还原分解，再氧化得到氧化锆。
熔炼工艺：采用高温熔炼法合成单晶氧化锆
溶胶-凝胶法：先制备氧化锆凝胶，然后热处理得到纳米颗粒或薄膜。该方法主要用于制备高性能纳米氧化锆。
结构控制过程
氧化锆的结构控制工艺主要有晶相稳定处理、热处理、表面改性等。
1、氧化锆具有多种晶相，添加稳定剂可以控制晶相，改善其性能：
添加Y2O3：稳定四方相和立方相，可提高氧化锆的抗裂纹扩展能力。
添加MgO：可提高抗热震性。
添加CaO：更利于高温应用
2、在热处理过程中，更精确的温度控制可以保证晶粒尺寸的均匀性；合理控制烧结时间有利于致密度和力学性能；烧结时加入惰性气体或还原性气体可以有效减少杂质的产生。
3、氧化锆的表面改性与加工主要是在氧化锆表面涂覆一层保护层，可以增加其耐磨性和化学稳定性。还可以利用激光切割、数控精密磨削等技术，制作各种复杂形状的工业陶瓷零件。
质量检验与控制
该流程的最后一步是检测。主要的检测方法包括利用XRF（X射线荧光光谱法）分析氧化锆的化学纯度；利用XRD（X射线衍射法）测定氧化锆的晶相分布；利用ICP-MS（电感耦合等离子体质谱法）检测微量杂质含量等。
常问问题
氧化锆是由什么构成的？
氧化锆是一种先进的陶瓷材料，化学式为ZrO2，主要从锆石矿物中提取，经过精密的化学加工而成。
这种材料结合了陶瓷的美观和金属的强度，是牙科应用的首选材料。
氧化锆与钛植入物相比？
在种植牙领域，氧化锆和钛合金各有优势。氧化锆可以提供更佳的美观效果和生物相容性。使用氧化锆作为种植体可以降低过敏的可能性，并且更适合用于前牙区域。钛合金种植体拥有更长久的临床经验支持，且成本更低。
二氧化锆牙冠多少钱一个？
美国氧化锆牙冠的市场价格一般在$500到$1200之间，具体价格受很多因素影响，建议您咨询专业机构的专家。
氧化锆牙冠会染色吗？
氧化锆牙冠颜色稳定性极佳，不会随着时间的推移而变色或染色，因此您可以放心使用。氧化锆可以抵抗咖啡、茶和红酒等食用色素的染色。但是，您仍然需要时刻注意口腔卫生。请注意以下几点，以确保牙冠周围天然牙齿和牙龈的健康。
二氧化锆植入物能使用多长时间？
临床研究表明，氧化锆种植体的寿命可达15-20年甚至更长，种植成功率高达95%以上。您只需注意口腔卫生，并定期进行护理和清洁，即可确保种植体在您口腔中的长期稳定性。我们建议您每年进行一次专业检查。
氧化锆冠 vs 瓷冠？
二氧化锆牙冠与传统瓷牙在材料结构、强度、美观度等方面存在显著差异。烤瓷牙采用陶瓷材料制成，美观度较高，但强度相对较低，如果食用过硬的食物，瓷片很容易碎裂。而二氧化锆牙冠是新一代陶瓷材料，硬度高达1200MPa，是普通瓷片的3-4倍，在透光率和美观度方面，二氧化锆牙冠与瓷牙不相上下，但更耐用。
氧化锆安全吗？
氧化锆是牙科领域生物相容性最高的材料之一，您无需担心它的安全性。美国食品药品监督管理局 (FDA) 已批准氧化锆用于医疗植入物，大量临床研究证实，氧化锆不会引起过敏反应，也不会产生对人体有害的物质。同时，氧化锆表面光滑，不易残留食物和细菌，可以降低您出现炎症的风险。氧化锆是一种氧化物，不含金属成分，不会引起金属过敏，也不会在您的口腔中产生金属味。
氧化锆牙冠 vs PFM 牙冠？
与传统金属烤瓷冠（PFM）相比，氧化锆具有诸多优势。首先，氧化锆不是金属，不会造成金属过敏，避免了牙龈边缘出现黑线的问题。其次，氧化锆的强度和耐久性均优于PFM，并且没有瓷体脱落的风险。
从美观度上来说，氧化锆能够更好地模拟天然牙的透光率，呈现出更佳的视觉效果。虽然氧化锆的初期成本较高，但需要考虑其更长的使用寿命和更佳的美观效果。总体而言，氧化锆的性价比更高。
稳定氧化锆有哪些不同形式？
- 钇稳定氧化锆：添加钇可以稳定室温下的晶体立方结构，是目前市场上最常见的氧化锆材料之一。
- 镁稳定氧化锆：用氧化镁稳定的氧化锆比钇稳定的氧化锆具有更好的耐高温性能，同时热导率会更低。
- 氧化钙稳定氧化锆：用氧化锆稳定的氧化锆，熔点约为2700℃，是一种非常常见的耐火材料，广泛应用于涂料中。
- 二氧化铈稳定氧化锆：二氧化铈稳定氧化锆在防潮性方面比氧化镁和氧化钇是更好的选择，常用于传感器、流体控制和泵组件。
氧化锆可以在高温下使用吗？
当然氧化锆可以在1400度以上的环境下使用，而且理论上在高温或者低温环境下都能保持很好的稳定性，所以可以放心使用。
氧化锆和氧化铝哪个更耐磨？
氧化铝和氧化锆都是优良的耐磨材料，但它们的性能有所差异。
氧化铝硬度较高，适用于比较硬、高温的环境，如砂轮、耐磨涂层等。
氧化锆的硬度略低于氧化铝，但韧性和抗冲击性更好，而且比氧化铝更耐用，适用于轴承和切削工具等耐磨应用。
为什么氧化锆适用于燃料电池？
稳定化氧化锆在高温下具有较高的离子电导率，是一种非常适合SOFC应用的材料，可以实现高效的离子传输。
总结
氧化锆这种高性能材料已经应用于我们生活的方方面面。希望您看完这篇文章后，对氧化锆有更深入的了解。