彩色氧化锆陶瓷材料的制备难点 - 技术科普 - 新闻动态

彩色氧化鋯陶瓷材料的制備難點

日期：2022-07-29 瀏覽次數：次

憑借著眾多優異性能，氧化鋯陶瓷材料被廣泛應用于各個領域，除了工業用途外，甚至還可以作為陶瓷裝飾材料妝點我們的生活。比如說前幾年推出的彩色氧化鋯手機背板以及一直都蠻火的陶瓷手表、智能手環等等。

彩色氧化鋯陶瓷材料的制備難點

既然要作為裝飾品，那“是否美觀”就很關鍵了。隨著人們生活水平的提高，審美要求也日漸提升。氧化鋯陶瓷的手感可以做到溫潤如玉，但略顯單一的顏色選擇是它的短板，為了增加氧化鋯陶瓷作為裝飾品的應用領域，研究者就需要開發出更多顏色的氧化鋯制品，才能讓它在該市場上真正立足。

彩色氧化鋯的制作難點

我們都知道氧化鋯陶瓷本身就具有熔點和沸點高、硬度大、優良的耐磨性、親膚等優點，這些都是讓它在金、銀、木、塑料等材料中脫穎而出的重要原因，氧化鋯陶瓷的可加工性強，非常適于批量生產。

但是彩色氧化鋯的制備就不是那么簡單了。一般彩色陶瓷的制備方法是向陶瓷中摻雜過渡金屬或者稀土金屬氧化物，如CoO、Cr₂O₃、NiO等，再經高溫燒結而成，它們的燒結溫度一般低于1300℃。但氧化鋯作為特種陶瓷，燒結致密化溫度高于1300℃，一般為1350℃~1550℃。而絕大多數普通色劑不耐高溫，易發生部分或完全揮發而不能穩定著色氧化鋯陶瓷，從而導致著色氧化鋯著色不均，影響最終產品的色澤。因此，單純向ZrO₂中摻雜著色劑是很難合成顏色鮮亮、色度均勻的彩色ZrO₂陶瓷，必須要添加更耐高溫的著色劑或燒結助劑，才能抑制著色劑的分解、揮發。

彩色氧化鋯陶瓷材料的制備難點

難點一：色相的均勻分散

目前彩色ZrO₂的制備，本質上就是使著色劑均勻分布在ZrO₂基體中。對于復合陶瓷尤其是納米復合陶瓷，由于色劑顆粒和氧化鋯基體粒徑小、比表面積大、顆粒間存在較大的靜電引力和范德華力，致使色劑顆粒與氧化鋯基體顆粒容易發生團聚，此現象不僅會導致納米復合陶瓷色度不均，還會影響其力學性能。

因此，如何使色劑顆粒均勻分散在氧化鋯基體中，制備出力學性能和色度兼優的彩色氧化鋯陶瓷，其關鍵在于能否克服粉體顆粒間的團聚。

目前常用的分散方法有：

①固相混合法：該法是將著色劑、礦化劑等氧化物顆粒按照一定化學配比，與穩定氧化鋯納米粉體進行混合、球磨，固體顆粒晶粒在此過程中被細化，具有工藝簡單、成本低廉、操作方便、易工業化等優點，但該法無法克服納米顆粒團聚的問題。

②化學共沉淀法：該法是利用鋯鹽、穩定劑鹽和著色離子鹽溶液混合后，通過與堿或者碳酸鹽等的反應，共同生成氫氧化物或者碳酸鹽沉淀，然后加熱分解而獲得氧化鋯復合粉體。具有粉末純度高、性能優良等有點，但該法的缺點是彩色氧化鋯共沉淀離子復雜，會導致后期燒結過程中反應復雜。

③液相浸滲法：該法是把注射成型后的坯體經過水萃取脫脂得到具有連通孔隙結構的坯體，然后將其置于含有著色相離子的溶液中進行浸滲。著色相離子隨著溶液經由孔隙從坯體的表面滲入其內部；浸滲的深度由浸滲時間的長短來控制，最后制得各種性能優異的彩色氧化鋯陶瓷。

難點二：色劑的選擇

陶瓷色劑的顏色主要由著色離子的存在狀態所決定，即色劑本身的原子或分子結構，色劑的制備方法和合成條件同樣可以影響其呈色。不同著色劑的選擇會影響合成的彩色氧化鋯陶瓷的色澤和力學性能，因此選對色劑很關鍵，以下是目前可用的一些色劑類型。

①離子著色型：

色料是以離子態分布在色料晶體之中稱為離子型著色，離子型著色可分為兩種，一種是著色劑自身也是色料晶體的組成成分，此時著色離子位于晶格中的正常結點位置。例如尖晶石色劑，它具有耐高溫、結構穩定等特點，可以在高溫下穩定著色氧化鋯，其組成通式為RO·R₂O₃，其結構通式為 AB₂O₄，CoAl₂O₄就是典型的尖晶石型氧化鋯色劑。

對合成尖晶石色料而言 RO包括 MgO、ZnO、CoO、FeO、MnO等，R₂O₃包括 Cr₂O₃、Fe₂O₃、Al₂O3、Mn₂O₃等。當 RO和 R₂O₃在一定條件下合成 RO·R₂O₃尖晶石后，相比于RO和R2O3金屬氧化物，RO·R₂O₃尖晶石的化學穩定性具有大幅提升。由于大多數過渡金屬氧化物彼此之間都可以形成對應的尖晶石，且各種尖晶石之間又能夠相互固溶形成置換固溶體，為晶格中離子的類質同晶置換提供了條件，因而可以制備出較寬范圍的光譜色料。

②包裹型色劑：

包裹型色劑是由耐高溫材料包裹不耐高溫的色劑而形成的。高溫大紅鎘硒紅正是采用此方法而成功合成。目前發現的陶瓷大紅色劑非常有限，而鎘硒紅可以在800℃以下著色陶瓷而呈現鮮紅的顏色，但是當溫度升高至800℃以上，鎘硒紅就會由紅轉黑。為了使鎘硒紅能夠在高溫下形成穩定的高溫色劑，研究發現將鎘硒紅包裹在耐高溫的鋯英石晶體之中，從而成功合成出耐高溫的大紅色料。另外，有研究發現將Fe₂O₃包裹在SiO₂中也可以制備出顏色純正的高溫紅色色料。制備包裹型色料的關鍵在于高溫度下不僅能形成耐高溫的晶體，還可以確保不會損壞被包裹色料的結構。

以下是不同顏色可采用的一些色劑：

目前藍色色劑有礬鈷藍、鈷藍等。前者的呈色機理是 V⁴⁺進入 Zr-SiO₄晶格中，形成藍色V-ZrSiO₄固溶體使陶瓷呈藍色或天藍色。由于不同化合價釩離子呈不同顏色，V³⁺呈綠色，V⁴⁺呈藍色，V⁵⁺呈黃色，所以要制得高純度的釩鋯藍，必須控制釩離子為4價；后者的發色元素為Co，其主要由 CoO或Co₂O₃與 Al₂O₃在高溫下合成鋁酸鈷（CoAlO₄），為尖晶石結構。但由于氧化鈷昂貴，所以生產成本較高，以外它的耐受溫度僅為~1200℃。