氧化钇如何稳定氧化锆

氧化钇稳定氧化锆是一种高性能的工程陶瓷材料。它具有很高的耐磨性、耐蚀性和热稳定性。氧化钇稳定氧化锆主要用于耐高温、耐化学腐蚀和耐磨损的应用领域，例如航空航天、能源、医疗和汽车领域。

氧化钇稳定氧化锆的制备过程相对复杂，需要特殊的化学处理和热处理。通过将氧化锆中添加氧化钇，并进行高温热处理，可以形成颗粒粘结力较高的氧化钇稳定氧化锆晶体结构。这种晶体结构具有优异的机械强度和热稳定性。

氧化钇稳定氧化锆的原理

钇稳定氧化锆球是一种结构陶瓷材料，借由添加氧化钇改变二氧化锆的相变态温度范围，产生室温下稳定的立方晶体及四方晶体。纯氧化锆在室温为单斜晶相，也叫单斜粉，温度上升至约1173℃时会转变成四方晶相，上升至2370℃时则转换成立方晶相，于2690℃变成液相。

在诸多陶瓷材料中，氧化锆陶瓷由于其优良的生物相容性，高强度与高韧性日益受到人们的青睐。室温下氧化锆以单斜相(m)存在，当单斜相氧化锆加热到1170℃时转变为四方相氧化锆，并伴随有7-9%的体积收缩，而且转化速度很快。在冷却过程中，四方相氧化锆在950℃左右转变为单斜相氧化锆(t-m)，此相变即为马氏体相变。在此相变过程中伴随有3%-5%的体积膨胀，使得陶瓷材料易产生开裂而失去应用价值，所以氧化锆陶瓷在实际中无法使用。后经研究发现，如果在氧化锆中加入一些稀土氧化物作为稳定剂，这种破坏性影响可降低或消除，使氧化锆可以在室温下稳定存在。

纯的氧化锆陶瓷因为在烧结冷却时会有相变的发生，引发体积膨胀而开裂，难以烧成致密陶瓷。为了消除这种变化，人们往往在氧化锆加入适量稳定剂来阻止相变的发生，稳定剂的加入可以改变品体内部空间结构，与氧化锆形成固溶体或复合体。这种固溶体在常温下能够保持四方相或立方相不发生相变，甚至在高温下依然保持稳定。常用作氧化锆的稳定添加剂有Y2O3，CeO2，CaO，MgO，Er2O3，Yb2O3等，这些氧化物的阳离子半径与Zr⁴⁺相近，在氧化锆中有较大的溶解度，形成的固溶体能够在较宽的温度范围内稳定立方或四方相氧化锆，对材料性能的稳定有很好的效果。

根据氧化锆中稳定剂含量的不同，可以分为全稳定氧化锆(FSZ)，部分稳定氧化锆(PSZ)，四方多晶氧化锆(TZP)。

全稳定氧化锆(FSZ)由于在室温下是以稳定的c相存在，无法发生t-m相变，起不到相变增韧的作用，因此其力学性能最差。部分稳定氧化锆陶瓷由于t-m 相的增韧作用，拥有高的断裂韧性，拥有“陶瓷钢”的美誉。t相的含量直接决定了氧化锆陶瓷的性能，四方多品氧化锆陶瓷(TZP)可以看作是PSZ的一个分支，它在t相区烧结，冷却过程中不发生相变，室温下保持几平全部t相，而使其综合力学性能最佳。以3Y-TZP为例，它的弯曲强度口达800MPa以上，断裂韧性口达到4.5~6MPam^1/2，虽然用于充当氧化锆稳定剂的氧化物很多，但是过去的研究表明，在诸多稳定剂中综合力学性能最好的为氧化钇-氧化锆陶瓷。同时氧化钇的含量还直接影响着陶瓷材料的性能:含量过高时将形成大量的立方相(c-ZrO2)氧化锆，这种氧化锆晶粒过于稳定而不容易发生相变,难以起到相变增韧的作用，反而会造成材料力学性能的下降；含量过低则无法有效地将氧化锆稳定在四方相，相反会形成大量单斜相，失去这种材料的特色与优越性能。

氧化钇稳定氧化锆的优点

一是其优异的耐磨性。它的硬度和强度比许多传统的金属材料都要高，能够承受高强度的冲击和摩擦。这使得氧化钇稳定氧化锆广泛应用于需要耐磨损性能的领域，例如制造磨料、轴承和阀门等。

二是其优异的耐腐蚀性。它具有很高的化学稳定性，可以抵抗许多强酸、强碱和盐水的侵蚀。这种耐腐蚀性使氧化钇稳定氧化锆成为航天航空领域、化工领域和食品加工领域等对耐腐蚀性能要求较高的领域中的理想材料选择。

此外，氧化钇稳定氧化锆的高温稳定性也非常好。它的高温强度、热膨胀系数和热导率都比其他工程陶瓷要高，能够承受高温下的应力和变形。因此，在高温环境下需要长时间运行的情况下，氧化钇稳定氧化锆通常是优选材料。

氧化钇稳定氧化锆应用

1. 固体氧化物燃料电池SOFC。

   固体氧化物燃料电池是一种全固体化学发电装置，可以在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学效率高，并在环境中友好地转化为电能。SOFC系统中的阳极支撑体采用U706ZRO2-8Y。它是一种优良的氧离子导体，在氧化气氛和恢复气氛下非常稳定。它是固体氧化物燃料电池中应用的理想材料。

2. 生物陶瓷、电子陶瓷、结构陶瓷。

   U703ZRO2-3Y生物级义齿具有断裂强度高、断裂韧性高、透光率高的特点。玉质地强，美白度高，能很好地匹配人体牙齿的颜色。非常适合手动研磨机或CAD/CAM设备。

3. 人造宝石，彩色陶瓷饰品。

   氧化钇氧化锆彩色陶瓷饰品的硬度接近天然钻石，比金属轻，不磨损，不变色，不生锈，美观耐用，明亮明亮，纹理，视觉非凡。

4. 耐火材料。

   电子陶瓷烧支垫板、熔化玻璃、冶金金属耐火材料采用氧化钇稳定氧化锆作为耐火材料。

5. 氧传感器。

   氧传感器是汽车的标准配置。它是利用陶瓷敏感元件测量汽车排气管道中的氧气电位，通过化学平衡原理计算平衡原理计算相应的氧浓度，以实现燃烧空燃比的监测和控制，以确保产品质量和排气排放标准。传感器中的氧化锆元素与电解质相似

6. 更多应用。

   磨损件、热阻涂层、光纤、套圈、轴套、研磨介质。

总而言之，氧化钇稳定氧化锆作为一种高性能的工程陶瓷材料，具有耐磨性、耐腐蚀性和高温稳定性等优异特性，广泛应用于各个领域。随着科技的不断发展和需求的不断变化，氧化钇稳定氧化锆的应用前景将会越来越广阔。