在线粘度计,在线粒度分析仪在纳米氧化锆粉体制备技术及应用

氧化锆(ZrO₂)是锆的主要氧化物，通常状况下为白色无臭无味晶体，难溶于水、盐酸和稀硫酸。

氧化锆是一种非常重要的功能和结构材料，具有优异的物理化学性能，因此，它的制备及应用，得到材料届的广泛关注，制备分散性良好的纳米氧化锆粉体成为各研究单位的重要研究方向。本文重点介绍纳米氧化锆粉体的各种制备工艺及应用。

机械粉碎法是指通过机械力的作用将大颗粒氧化锆粉体细化，如球磨等。该方法技术简单，但制备得到的粉体粒度不够均匀，形状难以控制，且粉碎过程中易被粉碎器械污染，设备要求高，投资大，因此很难达到工业生产的要求。

将普通氧化锆粉体制备成湿物料或溶液，在较低的温度下冻结成固态，然后在真空下使其中的水分不经液态直接升华为气态，再次冷凝后得到的氧化锆颗粒粒度小且疏松。但是费用较高，不能广泛采用。

共沉淀法，就是在溶解有不同阳离子的电解质溶液中添加合适的沉淀剂，反应生成组成均匀的沉淀，然后将沉淀干燥后热分解得到高纯纳米粉体材料的方法。制备纳米氧化锆的原料可为ZrOCl₂·8H₂O、NH₄OH和高分子分散剂。其制备工艺流程如下：

水热法（热液法）是指在密闭的反应容器中以水为介质，在高温(100℃～380℃)、高压(3MPa～15MPa)条件下制备材料的一种方法。它的原理是以水溶液为反应介质，在一定条件下使先驱体溶解反应，再次成核生长，最终形成具有一定结晶形态的晶粒。水热法制备纳米ZrO₂粉体最常用的先驱体是ZrOCl₂，ZrOCl₂与一定量的水加入反应釜中，在一定温度和压力条件下(100℃～350℃,3MPa～15MPa)制得纳米ZrO₂粉体。主要反应如下：

水热法（热液法）的工艺简单，得到的沉淀纯度高，晶形好，通过调节温度时间和酸碱度能够实现粒径可控，沉淀分散性也较好，成本低，有很强的实际工业应用价值。

溶胶-凝胶法的基本原理是使用金属盐或烷氧金属等先驱体和有机聚合物的混合溶液，在聚合物能够存在的条件下，混合溶液中前驱物进行水解和缩合，在控制相应条件的情况下，凝胶的形成与干燥环节聚合物不会发生相分离，便可获得纳米粒子。一种改进的溶胶-凝胶法制备纳米ZrO₂粉体是用ZrOCl₂为先驱体，反应中生成的氯离子用环氧乙烷除去，可得ZrO(OH)₂溶胶-凝胶。主要反应如下：

溶胶-凝胶法制备的纳米粉体粒度小，分布窄，纯度高。但是处理过程时间长，对健康有害且形成胶粒及凝胶过滤、洗涤过程不易控制。

高温喷雾热解法是以水、无水乙醇或其他溶剂将氯氧化锆(ZrOCl₂·8H₂O)等原料配成一定浓度溶液，再通过喷雾装置将反应液雾化并导入反应器内，使溶液迅速挥发，反应物发生热分解，或者同时发生燃烧和其他化学反应，生成氧化锆纳米粒子。高温喷雾热解法制备的氧化锆纳米粉体，粒子多为球状，流动性好，且形状均匀，一步完成，产量较大，可连续生产，成本低廉，但工艺有待改进，理论研究有待深化。

化学气相法是在一定反应条件(～300℃, x h,100kPa)下，反应先驱体蒸气在气态下分解得到ZrO₂，ZrO₂形成过程中具有很高的过饱和蒸气压，能够自发凝聚成大量晶核，且不断长大形成颗粒，并随气流进入低温区冷却，生反应过程停止，能够在收集室收集粉体。化学气相法的优点是粉体粒度特别小，易于控制，缺点是设备昂贵，不易实现工业化。

ZrO₂纳米粉体是制备特种陶瓷的重要原料，它可以用于制备多种结构及功能陶瓷等。

陶瓷材料的脆性限制了其应用发展，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性一种非常重要的途径。实验证明，可以利用ZrO₂四方相相变为单斜相产生显微裂痕和残余应力对陶瓷进行增韧。当ZrO₂颗粒在纳米级时转变温度可降到室温以下。因此纳米ZrO₂能够明显提高陶瓷的室温强度和应力强度因子，从而使陶瓷韧性成倍提高。

前面已经提到纳米ZrO₂可明显提高陶瓷的室温强度和应力强度因子，从而使陶瓷韧性成倍提高。利用纳米ZrO₂制备的复合生物陶瓷材料具有较好的力学性能、化学稳定性、生物相容性，是一种很有应用前景的复合型生物陶瓷材料。

由于氧化锆的熔点高、导热系数低、化学性能稳定，所以常用做耐火材料。用纳米氧化锆制备的耐火材料优势更加显著，耐高温（使用温度可达2200℃）、强度高、绝热性能好、化学稳定性优，主要用于操作温度在2000℃以上的环境中。

将纳米ZrO₂粉体加入到聚醚醚酮(PEEK)并混匀，然后用模压法制备的材料具有比PEEK更小的摩擦系数。且随纳米ZrO₂粒子尺寸降低，复合材料耐磨能力提高。将含纳米ZrO₂的复合物涂覆到聚碳酸酯板上做涂层，耐磨能力也显著提高等。