氧化锆质耐火材料研究现状

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1、氧化锆质耐火材料研究现状曹起（西安建筑科技大学，材料与矿资学院，西安710055）摘要：主要论述了氧化锆的结构和性能，以及氧化锆的制备方法，同时介绍了氧化锆的应用及研究发展现状。关键词：氧化锆，制备，研究现状引言氧化锆是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损而且具有优良导电性能的无机非金属材料，，尤其是其优良的常温力学性能及耐高温、耐腐蚀性能而倍受科研工作者的青睐［1－3］，20世纪20年代初即被应用于耐火材料领域，70年代中期以来，国际上欧美日先进国家竟相投入具资研究开发氧化锆生产技术和氧化锆系列产品生产,进一步将氧化锆的应用领域扩展到结构材料和功能材料，同时氧化锆

2、也是国家产业政策中鼓励重点发展的高性能新材料之一，目前，氧化锆材料的研究主要集中在相变增韧机制、常温和高温力学性能研究、摩擦磨损机制以及氧化锆陶瓷的实际应用等方面。本文综述了氧化锆的基本性能及氧化锆的制备和应用，并对氧化锆材料的发展前景进行了展望。1氧化锆材料的结构与性能1.1ZrO2的晶体结构在高温下，ZrO2属于立方萤石型结构，如图1.1所示，因为Zr4+直径大于O2-离子直径，所以可以认为，由Zr4+构成面心立方点阵，占据1/2的八面体空隙，O2-离子占据面心立方点阵所有四个四面体空隙[4]。13图1.1常压下纯的氧化锆有三种晶型，低温为单斜晶系，密

3、度5.68g/cm3，高温为四方晶系，密度6.10g/cm3，更高温度下为立方晶系，密度6.27g/cm3，三种晶型相互间的转化关系如下：1170℃2370℃2715℃单斜ZrO2→四方ZrO2→立方ZrO2→熔体常温下，ZrO2只能是单斜相，当用锆盐煅烧，达到650℃时，出现稳定的四方相，继续升高时四方相逐步转变为单斜相，再继续升温至830℃时，ZrO2又开始向四方相转变，至1170℃时，完全转变为四方相，温度升至2370℃时转变为立方相；当温度降低时，逐步转化为四方相，到室温时，变为稳定的单斜相。单斜二氧化锆在830～1200℃的转变较为复杂，会产生滞

4、后现象。正是这种滞后现象，为二氧化锆在陶瓷及耐火材料应用提供一个重要性能。在转变过程中，会产生相应的体积变化，当温度升高时，由单斜相向四方相转变时，会使体积收缩5%[5]，而当温度降低由四方相向单斜相转变时会使体积膨胀8%，存在的3种相结构，其热膨胀是不一样的。表1.1为三种晶型的氧化锆的晶格常数与密度[6,7]。表1.1纯氧化锆晶格常数与密度晶型晶格常数（nm）密度g/cm-3abcβ单斜0.51500.52030.531699.25.68四方0.50740.50740.5188906.1013立方0.51170.51170.5117906.271.2氧

5、化锆的性质以及在耐火材料中的作用在氧化物制品系统中ZrO2具有许多优良特性，如熔点高（2700℃），高温结构强度大（2000℃荷重200Kpa，能保持0.5~1小时才能产生变形），化学稳定性良好，无论对酸和碱或玻璃都有很高的化学惰性，不易被液态金属润湿，因此也具有高的金属稳定性，（对许多熔融金属甚至活性很强的IV、V、VI族金属均具有良好的抗蚀性），高温蒸汽压和分解压均较低，具有比Al2O3和MgO低的挥发性。ZrO2比Al2O3和MgO对真空具有更高的稳定性，可以用锆和氧有大的结合强度来解释。ZrO2中Zr-O键的断裂能为757.8kJ/mol,但Mg-

6、O键为481.5kL/mol,而Al-O键为418.7kJ/mol。锆对氧的亲和力和Zr-O键强解释了比氧化镁和氧化铝有高的金属稳定性和与碳素钢及脱碳钢低的相互作用。因而可以认为ZrO2可以满足高温、高真空冶炼许多纯金属和合金所需的技术要求，是将来冶金的主要耐火材料。表1.2为含ZrO2耐火材料的主要性能。表1.2　含ZrO2耐火材料的主要性能材质用途锆英石-ZrO2ZrO2ZrO2ZrO2-石墨熔铸锆-刚玉熔铸ZrO2钢包内衬连铸水口窑具砖水口玻璃窑玻璃窑显气孔率/%物理性能密度/g/cm3耐压强度/Mpa17.416.02515.50.5-4.064.

7、614.193.753.505.6010475-->300500SiO2含量/%化学组成Al2O3含量/%ZrO2含量/%C含量/%23--21341-----759595753594----19-13氧化锆在耐火材料中的作用[8]：（1）良好的化学稳定性，延长Fe等金属离子对耐火材料的侵蚀（2）改善材料的性能，提高耐火材料制品的热稳定性。（3）可根据复合项的不同性能，优选生产工艺，提高耐火材料制品的性能和降低生产成本。（4）复合物的高熔温度，较高的低熔混合物的生产温度。1.3ZrO2材料的稳定化由于二氧化锆单斜型与四方型之间的可逆转变伴有体积效应。造成耐

8、火材料烧成时容易开裂，因此单用纯氧化锆就很难制造出烧结而又不开裂的