ZrO2论文概述{研究背景、过程、制备方法、前景及作用}.doc

ZrO2纤维的制备、性能及其应用 摘要：耐高温、高强度ZrO2连续纤维在工业及航空、航天领域中有着重要的用途。本文总结了近年来国际上对氧化锆连续纤维的研究成果。系统介绍了ZrO2连续纤维的制备方法以及对纤维性 质的研究。 关键词： 一、叙述 1.1 氧化锆简介 ZrO2具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质。其本身是一种具有优良的热学、电学、光学和机械性能的过渡金属氧化物。纯的氧化错在不同温度下具有单斜(m)、四方(t)和立方(C)三种不同晶型: 立方(Fm3m)。图l为三种晶型的晶胞结构。 图1,氧化错的3种晶胞结构 纯氧化错的高温相结构不能稳定到室温,但掺人Y203、CaO、Mgo或CeO:等氧化物形成固溶体,可使其相变点降低,使立方相和/或四方相结构保留下来,即起到了稳定高温相的作用。加人足量稳定剂可在室温下获得C一zro:单相材料,即全稳定氧化错(fullystabilizedzireonia,FSZ)。e一Zr():单晶是一种高硬度的装饰宝石,c一ZrO:陶瓷是一种P一型半导体,具有优良的离子传导性,被广泛用作氧探测器、高温发热元件和其他功能材料。将稳定剂的含量适当减少,使t一Zro:部分亚稳到室温,便得到部分稳定化氧化错(partiallystabilizedzireonia,PSZ),或使t-Z:O:全部亚稳到室温,得到四方相多晶氧化错(tetragonalzir-coniapolycrystals,TZp)。TZp具有优良的力学性能、低的导热系数和良好的抗热震性,有“陶瓷钢”之美称。由于t一ZrO:可在应力条件下发生向m一ZrO:的相变,并伴随约7%的体积膨胀,根据这一特点,t一zro:被用来作为一种有效的复合材料和复合陶瓷相变增韧剂,显著提高脆性材料的韧性和强度。t一ZrO:自身强度之所以高也与其相变增韧原理有关,可以缓冲裂纹能量,阻止其扩展。 在几种稳定剂中,Y203的稳定效果最好[4]。一般而言,ZrO:中掺人2一3mol%的YZO3可获得具有极好力学性能的Y-TZP,掺人6一smol%的YZO3可获得单相。一ZrO:,即FSZ。由于氧化错连续纤维主要利用力学性能,因此其晶相结构一般选择为Y一TZP结构。 上个世纪二十年代开始就被用来作为熔化玻璃、冶炼钢铁等的耐火材料，从上个世纪七十年代以来，随着对ZrO2有了更深刻的了解，人们进一步研究开发ZrO2作为结构材料和功能材料。1975年澳大利亚R．G．Garvie以CaO为稳定剂制得部分稳定氧化锆陶瓷（Ca-PSZ），并首次利用ZrO2马氏体相变的增韧效应提高了韧性和强度，极大的扩展了ZrO2在结构陶瓷领域的应用。1973年美国 R．Zechnall， G．Baumarm，H．Fisele制得ZrO2电解质氧传感器，此传感器能正确显示汽车发动机的空气、燃料比，1980年把它应用于钢铁工业。1982年日本绝缘子公司和美国Cummins发动机公司共同开发出ZrO2节能柴油机缸套。自此，ZrO2高性能陶瓷的研究和开发获得了许多进展。 近年来, ZrO2在催化领域中的应用颇受重视.它的表面具有弱酸和弱碱双功能特性[1]，既可作为催化剂，也可作为催化剂载体使用；同时，ZrO2具有较强的机械强度，还可以用作催化剂的结构助剂。ZrO2超细粒子兼有比表面积大、稳定性好的特点，它的特殊表面结构和性质显示了良好的应用前景。 1.2 ZrO2的纤维简介 随着现代复合材料的开发及其在高新技术领域中的应用，人们对纤维材料给予了极大的关注。在光通讯、航天、航空和军事等当今高科技和尖端技术领域中,纤维材料尤其是无机纤维正发挥着越来越重要的作用。常见的无机纤维有碳纤维、氧化铝纤维、石英纤维、玻璃纤维、氧化错纤维、硅酸铝纤维、氮化硼纤维、碳化硅纤维及金属纤维等。其中,碳纤维的研究和应用已达到了较高的水平,其最鲜明的特点是高比强度和高比模量,然而也有固有的缺点,如断裂伸长率小、导热系数大、高温抗氧化性能差等。除氧化错纤维外的其他纤维,也分别存在强度低、使用温度低、耐腐蚀性差、导热系数大等缺点。 相比之下,氧化锆连续纤维秉承了氧化错陶瓷本身的优良性能,具有高熔点、高强度、韧性好、耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀、抗热震性好和隔热性好等优点,特别是纤维抗拉强度(目前已达2.6GPa以上)和最高使用温度(可使用至2200OC)均极高,而导热系数和高温蒸气压在金属氧化物中均最小,是一种综合性能优良的防热、绝热材料和复合增强材料,具有许多重要的潜在用途[1-3]。 氧化锆纤维是一种性能优良的特种无机纤维,耐高温、耐腐蚀、抗氧化, 可作为陶瓷基和金属基等复合材料的增强材料，具有广泛的应用前景。氧化锆纤维是一种多晶陶瓷纤维,它除具有一般陶瓷纤维的特性外,还具有熔点高(2600e