發(fā)展5G寫入了《中國制造2025 》、“十三五 規(guī)劃”等，5G時代將加速來臨。業(yè)內(nèi)人士表示金屬對信號屏蔽強(qiáng)，預(yù)計5G時代陶瓷和玻璃將成為終端結(jié)構(gòu)件主流。行業(yè)公司在5G啟動前期紛紛加大氧化鋯結(jié)構(gòu)件投資，項(xiàng)目投產(chǎn)后將大幅提振高端氧化鋯需求。今天小編就帶大家來深入了解一下這個可以把我們帶入5G時代的關(guān)鍵性材料：納米復(fù)合二氧化鋯，以及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

二氧化鋯是一種具有高熔點(diǎn)(～2700℃)和高沸點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)大、耐高溫、耐磨性好、抗蝕性能優(yōu)良的金屬氧化物材料。納米級二氧化鋯粉體材料因具有納米特性而有許多重要的用途。用納米氧化鋯制造的精細(xì)陶瓷在不同條件下具有某些獨(dú)特的性能,如常溫下為絕緣體,高溫下則具有導(dǎo)電性、敏感特性、增韌性等。

氧化鋯在不同條件下有三種不同的晶型存在：立方相(c-ZrO2)，密度6.27g/cm3，四方相(t-ZrO2)，密度6.10 g/cm3和單斜相(m-ZrO2)，密度5.65 g/cm3。以上3種晶型存在于不同的溫度范圍，并可以相互轉(zhuǎn)化。它們分別在 2643 K 以上、1443~2643 K 之間和小于 1443 K 溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定。

天然ZrO2和用化學(xué)法得到的純ZrO2屬于單斜晶系。單斜晶型與四方晶型之間的轉(zhuǎn)變伴隨有7% 左右的體積變化。加熱時由單斜ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆絑rO2，體積收縮，冷卻時由四方ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡盳rO2，體積膨脹。但這種收縮與膨脹并不發(fā)生在同一溫度，前者約在 1200℃，后者約在 1000℃。由于晶形的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積變化，會造成開裂，因此單純的ZrO2沒有多大的工程價值。

因此，實(shí)際中廣泛應(yīng)用的氧化鋯材料一般是添加適當(dāng)穩(wěn)定劑，如Y2O3、MgO、CaO、CeO2、l2O3等其他稀土氧化物制備的復(fù)合氧化鋯。穩(wěn)定劑的添加可以降低c-ZrO2向t-ZrO2轉(zhuǎn)變與t-ZrO2向m-ZrO2的相變溫度，使高溫穩(wěn)定的c-ZrO2和t-ZrO2相也能在室溫下穩(wěn)定或亞穩(wěn)定存在，形成無異常膨脹、收縮的立方、四方晶型的穩(wěn)定氧化鋯（FSZ）和部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）。最常見的是釔穩(wěn)定氧化鋯。

納米復(fù)合氧化鋯的九大應(yīng)用領(lǐng)域

01-義齒材料

納米ZrO2可明顯提高陶瓷的室溫強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而使陶瓷韌性成倍提高。利用納米ZrO2制備的復(fù)合生物陶瓷材料具有較好的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性，是一種很有應(yīng)用前景的復(fù)合型生物陶瓷材料，尤其在齒科材料和人工關(guān)節(jié)等方面。

生物材料是指具有天然器官組織功能或部分功能的材料，是生物醫(yī)學(xué)科學(xué)的最新分支學(xué)科，具有廣泛的應(yīng)用前景。其中，生物陶瓷由于具有優(yōu)良的生物相容性和穩(wěn)定性、美觀性等優(yōu)點(diǎn)受到人們青睞，在臨床上已被廣泛應(yīng)用于口腔修復(fù)領(lǐng)域

氧化鋯增韌陶瓷作為一種新型精細(xì)陶瓷，具有良好的機(jī)械性能(斷裂韌性、強(qiáng)度、硬度等)、生物相容性和穩(wěn)定性、美觀性、熱導(dǎo)性和成形性，能很好解決常規(guī)全瓷冠材料強(qiáng)度和韌性不足的問題。其次，其作為一種優(yōu)良的生物惰性陶瓷，無論是作為口腔修復(fù)體還是植入體均表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性能，完全滿足作為口腔修復(fù)材料的標(biāo)準(zhǔn)。

與其他傳統(tǒng)修復(fù)材料相比，氧化鋯修復(fù)體具有如下優(yōu)勢：

具有能與金屬相媲美的機(jī)械性能，可完全承受后牙的咀嚼力；

納米級氧化鋯顆粒更細(xì)，更光滑，不易附著菌斑，改善了美觀程度，材質(zhì)、顏色與周圍自然牙齒組織接近；

全瓷冠內(nèi)無金屬支撐物，一方面能提高患者對外觀的滿意度，另一方面對X光射線無阻射作用，臨床不必?fù)?dān)心與磁場有關(guān)的檢查；

組織相容性良好，置入后不會受到唾液、齦溝液的腐蝕，對口腔內(nèi)軟組織無毒性作用，在全瓷冠修復(fù)材料(單冠、固定義齒)、種植材料、樁核材料等方面取得了長足發(fā)展，成為口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

氧化鋯是理想的全瓷牙材料，但是我國在全球種植牙市場中只占據(jù)了約1%的市場。這并非是我國需求市場小，而是因?yàn)檠趸喨裳赖母邇r格（約3000/顆）造成了較低的市場滲透率。受益于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民對全瓷牙接受程度及對口腔義齒重視程度的提高，以及我國加速老齡化的現(xiàn)狀，氧化鋯全瓷牙在義齒行業(yè)的市場滲透率有望進(jìn)一步提高。江蘇福瑞思粉體科技有限公司總經(jīng)理郝小勇先生曾在2017年中國鋯鉿年會上提到，他近期曾經(jīng)親自對河南省氧化鋯全瓷牙齒的市場需求進(jìn)行過實(shí)地調(diào)研，結(jié)論是僅僅一個河南省，一年氧化鋯牙齒需求量市場就有一個億。預(yù)測2020年我國氧化鋯義齒市場將超過20億元。

02－人工關(guān)節(jié)

ZrO2陶瓷于20世紀(jì)80年代中期開始應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)，由于氧化鋯存在三種晶形，并且在晶形轉(zhuǎn)化的時候會引起體積，使材料容易發(fā)生開裂，產(chǎn)生裂紋，影響其作為人工關(guān)節(jié)的使用壽命。因此和齒類材料一樣，純的氧化鋯也不能作為人工關(guān)節(jié)材料使用。為了提高氧化鋯的穩(wěn)定性，通過熱處理和添加一些摻雜穩(wěn)定劑，如 Y2O3、CeO2、MgO 等，來穩(wěn)定其晶體結(jié)構(gòu)，使其在常溫下能保持四方相，增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度。1988 年，摻雜 Y2O3的四方晶相氧化鋯 (Y-TZP) 首次進(jìn)行人工關(guān)節(jié)臨床應(yīng)用，但Y-TZP在 150～400℃潮濕環(huán)境中時，會導(dǎo)致 t-ZrO2失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致四方相向單斜相轉(zhuǎn)變，最終會導(dǎo)致其力學(xué)性能惡化，而人工關(guān)節(jié)假體在人體內(nèi)處于被體液所包裹的壞境中，這種惡化會導(dǎo)致 Y-TZP人工關(guān)節(jié)失敗的可能性增大。由于存在這種失敗的可能性，其無法 100% 保證臨床應(yīng)用的可靠性和穩(wěn)定性。目前，Y-TZP 人工關(guān)節(jié)已經(jīng)停止使用。

03－氧傳感器

采用氧化鋯制成的傳感器有良好的導(dǎo)電性，在控制汽車尾氣、電廠鍋爐的燃燒上起到重要作用。汽車工業(yè)中在使用三效催化轉(zhuǎn)化器降低排放污染的發(fā)動機(jī)上，氧傳感器是必不可少的，氧化鋯式氧傳感器是基于氧化鋯固體電解質(zhì)的材料特性來檢測尾氣中氧濃度的，按檢測空燃比數(shù)值的范圍不同分為：窄型氧傳感器和寬型氧傳感器。窄型氧傳感器即“傳統(tǒng)氧傳感器”，只能檢測空燃比是大于或小于14.7；寬型氧傳感器即新式氧傳感器，簡稱“空燃比傳感器”，能檢測的空燃比范圍為 23:1~11:1，且檢測精度高，不僅能使發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)稀混合氣或濃混合氣控制，而且噴油量的控制更加精確。氧化鋯式氧傳感器是目前最成熟，產(chǎn)量最大的一種氧傳感器。是汽車排放控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其信號輸出特性直接影響發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放控制

04－ 汽車尾氣凈化催化劑助劑

汽車尾氣凈化催化劑一般由三個部分組成：載體（董青石、氧化鋁）、助催化劑（納米涂層增大比表面積、同時作為儲氫材料）、催化劑（一般汽油車位鉑鈀銠等，柴油車為釩鎢鈦等）。其中鋯鈰固溶體復(fù)合氧化物材料作為助催化劑使用，是十分重要的涂層材料。其具備四個方面的特點(diǎn)：

1、鈰、鋯兩種金屬可在較寬范圍內(nèi)有效復(fù)合；

2、高溫穩(wěn)定性好；

3、高氧化還原能力（Ce4+/Ce3+）;

4、高儲氧放氧能力。

這些特征是三效催化劑使用鋯鈰固溶體后具有很高的低溫催化轉(zhuǎn)化能力。國內(nèi)生產(chǎn)汽車尾氣催化劑材料鋯鈰固溶體的企業(yè)有威孚高科、貴研鉑業(yè)，博晶科技等。

另外，鋯鈰固溶體在傳感器材料、拋光材料、燃料電池、結(jié)構(gòu)材料高強(qiáng)度陶瓷等領(lǐng)域亦有廣泛的應(yīng)用。

05－化工合成芳烴催化劑

長久以來，氧化鋯一直用于異構(gòu)合成研究。異構(gòu)合成是將合成氣高選擇性地轉(zhuǎn)化為異丁烯和異丁烷 ( i-C4) 的過程，主要以氧化鋯、氧化釷、氧化鈰等金屬氧化物為活性組分自 Pichler等第一次研究了異構(gòu)合成之后，氧化鋯以其較高的 i-C4選擇性、無放射性成為了異構(gòu)合成催化研究的核心。這種高選擇性地生成i-C4的現(xiàn)象一直被歸因于氧化鋯表面兼 具酸、堿性和氧化、還原性。氧化鋯有三種晶相: 單斜相、四方相和立方相，其晶相隨制備方法的改變而不同，不同晶相的氧化鋯表面性質(zhì)完全不同，從而影響催化活性及異構(gòu)合成的產(chǎn)物分布。楊成[8]等通過采用共沉淀法和水熱法制備了三種不同粒徑、不同結(jié)構(gòu)的納米氧化鋯催化劑，研究了其合成氣催化轉(zhuǎn)化性能。合成氣( CO+H2) 能在氧化鋯表面直接催化轉(zhuǎn)化生成芳烴，而芳烴的選擇性及收率受制于表面酸性質(zhì)。單斜相氧化鋯比四方相更有利于CO轉(zhuǎn)化，其中，比表面積較大、酸量較大的小粒徑氧化鋯表現(xiàn)出最高的CO轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物收率; 而大晶粒單斜相氧化鋯表現(xiàn)出最高的芳烴選擇性，這與其較高的酸性位密度相對應(yīng)。該應(yīng)用還未規(guī)模性在工業(yè)中應(yīng)用，但是如果單一的氧化鋯催化劑能夠?qū)⒑铣蓺庖徊酱呋D(zhuǎn)化為芳烴或高辛烷值產(chǎn)物，就可以規(guī)避由金屬、分子篩摻雜催化體系中活性中心不匹配的問題，對未來能源的發(fā)展具有極深遠(yuǎn)的意義。

6－燃料電池

固體氧化物燃料電池用鋯基電解質(zhì)是SOFC中應(yīng)用最為廣泛，研究最多的電解質(zhì)材料[11]。立方穩(wěn)定ZrO2基電解質(zhì)材料擁有極大的離子電導(dǎo)率，在高溫下、氧化和還原氣氛中保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并且在很大的氧分壓范圍內(nèi)具有純的氧離子導(dǎo)電特性，同時具有很好的機(jī)械加工強(qiáng)度，可制作成致密膜電解質(zhì)，因此其滿足了固體氧化物燃料電池的幾乎所有要求，成為制備SOFC 電解質(zhì)材料的首選，是固體氧化物燃料電池的核心部件。其電解質(zhì)材料為釔穩(wěn)定納米氧化鋯（YSZ），正極為YSZ表面鍍Ni等金屬，適用于中大型燃料發(fā)電項(xiàng)目。

但固體氧化物燃料電池中的 ZrO2基固體電解質(zhì)運(yùn)行溫度太高(1000℃)，存在材料會緩慢分解、相際擴(kuò)散及金屬連接材料腐蝕等缺點(diǎn)。因此，將其工作溫度降低至中溫范圍(600~800℃)成為 SOFCs 發(fā)展的方向。但YSZ 電解質(zhì)在 600℃電導(dǎo)率僅為 0.001S/cm，電解質(zhì)電導(dǎo)率只有在0.05S/cm以上，才能實(shí)現(xiàn)SOFC的高功率密度，因此目前的 YSZ 電導(dǎo)率無法滿足高功率密度燃料電池的要求。為了提高ZrO2基固體電解質(zhì)材料電導(dǎo)率，科學(xué)工作者在 ZrO2的摻雜改性方面進(jìn)行大量研究，并取得了顯著成果[12]。Sc2O3 穩(wěn)定的ZrO2（ScSZ）在氧化鋯類固體電解質(zhì)中顯示了最高的電導(dǎo)率，并且其高溫化學(xué)活性和熱膨脹系數(shù)與 YSZ 相同，便于選用配套的電極材料，是 YSZ 的重要替代材料。

隨著 SOFC 工藝發(fā)展的日趨成熟，部分歐美廠家突破了ScSZ 的合成工藝，使 ScSZ 開始了 SOFC電解質(zhì)膜的商用化進(jìn)程[11]。目前，美、日等國采用稀土鋯化合物作為電解質(zhì)材料突破了 SOFC 中溫操作技術(shù)，加工和運(yùn)行成本得以大幅降低，其商品化前景日漸明朗。全球ScSZ粉體的產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了 SOFC 快速發(fā)展需求，供求短缺的矛盾日益凸顯。

7－特種機(jī)械零部件

陶瓷材料的脆性限制了其應(yīng)用發(fā)展，納米陶瓷是解決陶瓷脆性一種非常重要的途徑。實(shí)驗(yàn)證明，可以利用ZrO2四方相相變?yōu)閱涡毕喈a(chǎn)生顯微裂痕和殘余應(yīng)力對陶瓷進(jìn)行增韌。當(dāng)ZrO2顆粒在納米級時轉(zhuǎn)變溫度可降到室溫以下。因此納米ZrO2能夠明顯提高陶瓷的室溫強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而使陶瓷韌性成倍提高。特種超韌型納米復(fù)合氧化鋯在軸承、軸套、閥球、殼體等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

8－耐火材料

由于氧化鋯的熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)性能穩(wěn)定，所以常用做耐火材料。用納米氧化鋯制備的耐火材料優(yōu)勢更加顯著，耐高溫（使用溫度可達(dá)2200℃）、強(qiáng)度高、絕熱性能好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)，主要用于操作溫度在2000℃以上的環(huán)境中。

09－特種刀具

陶瓷刀具在20世紀(jì)初期即有使用，但因其脆性局限其使用范圍。近年來，隨著納米復(fù)合氧化鋯復(fù)合材料的進(jìn)步，其韌性大幅改善。陶瓷刀從原有的航空航天等高科技領(lǐng)域開始擴(kuò)大到工業(yè)陶瓷刀具，現(xiàn)在，已廣泛應(yīng)用于日常生活領(lǐng)域中。氧化鋯可加工成各種刀具，氧化鋯陶瓷刀片是利用屬于非金屬材料的特種陶瓷原料加工而成,由于控制了原料純度和顆粒尺寸細(xì)化,并添加了各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善其性能,同時通過顆粒、晶須、相變、微裂紋和幾種增韌機(jī)理的協(xié)同作用提高其斷裂韌性,使氧化鋯陶瓷具有優(yōu)異的性能，在具有傳統(tǒng)金屬刀具優(yōu)點(diǎn)同時，還具有不生銹、健康、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為陶瓷鋼。

目前家用氧化鋯陶瓷刀有很多品牌，包括德國雙立人、日本京瓷，美迪亞MIDDIA、金澳、蘇泊爾等。