ZrO2(CaO)與ZrO2(1/2O3)是氧化鋯基固體電解質最常用的兩種陶瓷材料。由于氧化鋯很難燒結,因此需要加入適量的穩定劑。在穩定化的ZrO2中穩定劑的金屬離子與Zr4+進行不等價置換,從而產生了氧空位。如以Ca2+為例,當Ca2+取代Zr4+之后,正電荷少了2個,于是在Ca2+周圍必須失掉一個在正常位置上的O2-離子,才能保持晶格的電中性,這樣便產生一個氧空位。同樣,如用Y3+取代Zr4+,正電荷少了一個,則在兩個釔離子周圍存在一個氧空位。因此,在穩定化的ZrO2晶格內存在大量氧空位,使 ZrO2陶瓷成為導電陶瓷。
不同穩定劑的ZrO2陶瓷的電導率是不同的。
氧化鋯(ZrO2)導電陶瓷制造的關鍵是原料的純度與粉料的制備,一般要求ZrO2的純度應達99. 5%,屬超細粉末(<0.05μm);穩定劑采用Y2O3或Al2O3,其純度應為試劑級。
粉料制備時,由于穩定ZrO2的硬度大,一般應用鋼球磨進行球磨。大約球磨80h后,小于1. 76μm的細粉約60%。如要細度<1μm,則要延長球磨時間100~200h。球磨后粉料要用鹽酸處理48h,酸洗后再用水清洗至中性,烘干備用。
如用注漿成型,注漿料可在塑料或瓷球磨瓶(筒)內配制成中性料。如取料:球:水:阿拉伯樹膠之比為1:1.5:0.16:0.15,混磨8~10h,使之具有較好的懸浮性和流動性。
用干壓成型,壞料中應加人適當的粘結劑(羧甲基纖維素等),以等靜壓成型為最佳。
成型后的坯體,在中性或氧化氣氛的窯爐中,于1800~1840℃溫度下燒成。
加入穩定劑的ZrO2在高溫時具有導電性,利用ZrO2在高溫時的導電性,氧化鋯導電陶瓷可用作高溫電極和發熱材料。
利用ZrO2在一定條件下具有傳遞氧離子的特性,可以制成固體氧濃差電池、氧傳感器,進行氧濃度的測定等。
氧濃差電池可檢測氧氣濃度,制造燃料電池,制取氧氣,水分解法制氫等。
煉鋼用氧測定儀能精確測定鋼液中的氧含量。測氧儀的主體為ZrO2固體電解質。
氧化鋯氧傳感器可用來測量汽車尾氣廢氣中的氧含量,從而控制空燃比,達到節省燃料,減少廢氣對周圍環境污染的目的。
此外,還可利用氧化鋯導電陶瓷的導熱、導電性,用它作為高溫發熱材料(在空氣中最高發熱溫度可達2100~2200℃)以及高溫電極材料(如磁流體發電裝置中的電極)。同時還可利用氧化鋯和鉻酸鑭各自的優點制成復合材料。
3. 氧化鋯導電陶瓷的性能與用途