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1 氧化锆材料的应用
过去，氧化锆陶瓷主要作为耐火材料，而随着电子和新材料工业的发展，氧化锆陶瓷在电子陶瓷、结构陶瓷和功能陶瓷等方面得到了越来越广泛的应用。当前，日本不论是在制造氧化锆原料粉体，还是制造电子陶瓷和结构陶瓷方面都处于世界领先地位。
由于氧化锆具有高强度、高韧性以及耐腐蚀的特性，抗压强度在常温下可以达到2100MPa，可以用来制造空间飞行器的喷气发动机、内燃机、无润滑滚珠轴承以及汽轮机；氧化锆具有无磁性、不导电、以及耐磨的优良性能，可以用于制造医学器械和刀具工具；氧化锆硬度高，具有优良的耐磨性，广泛用于制作冷成型工具、切削工具、研磨和磨削构件等。
在电子陶瓷中，氧化锆主要应用于制造电压元件、滤波器、超声波振荡器等。作为功能陶瓷，氧化锆主用应用于制造气体传感器、温度传感器以及声音传感器等。此外，在热障涂层、耐火材料、纺织等领域里，氧化锆也正得到广泛应用。随着新材料和电子工业的迅速发展，氧化锆会更多地应用在结构陶瓷、功能陶瓷和电子陶瓷等方面，需求量将会越来越大。
（图片来源：上海矽诺国际贸易有限公司）
2 氧化锆粉体的制备
众所周知，要制备好的氧化锆陶瓷，第一步便是制备性能优良的粉体。好的粉体要求粒度细而且分布范围窄。因为超细粉具有很强的扩散能力，所以更容易在烧结后期具有高密度或完全致密。当前，制备氧化锆粉体的方法可以分为气相合成法、固相合成法和液相合成法。
（1）化学共沉淀法主要工艺流程是首先把适当的碱液作沉淀剂，从ZrOCl2•8H2O或Zr(NO3)4，Y(NO3)3等盐溶液中沉淀出含水的氧化锆和氧化钇，然后通过过滤、洗涤、干燥以及煅烧等工序制备得到钇稳定氧化锆粉。此种方法由于设备和工艺简单，而且得到的粉体性能较优，所以应用广泛。但此法得到的粉体硬团聚严重，烧结活性较低。
（2）水热法是在高压釜里，以水溶液为反应介质，形成高温高压的反应环境，使难溶物质溶解，合成需要的物质，之后再通过分离以及热处理得到纳米微粒的合成方法。水热法制备二氧化锆最合适的前驱体是ZrOCl2，它经过水解沉淀可以生成ZrO(OH)2，再同一定量的水一起加入到反应釜中，在高温高压下反应，即可制得晶粒，最终经干燥就可以得到成品。这个方法的优点制得的粉料粒度非常细，能够达到纳米级，而且粒度分布窄，颗粒团聚程度小。但是这个方法依赖性比较强，所以使水热法难以得到较为广泛的应用，当前对此种方法的研究在向低温低压发展。
（3）溶胶凝胶法是利用胶体分散体系制备超细粉体的方法。这种方法先是形成含有几十纳米以下的氢氧化锆胶体颗粒的稳定溶液，然后处理此溶液使其形成含有大量水分的凝胶，最后把它干燥脱水并煅烧，得到超细粉。用这种方法可以制得粒度细且分布窄，纯度高的粉体。而且它的烧成温度要比传统的方法低。但是，这种方法的原料成本较高，生产周期较长，胶粒以及凝胶过滤和洗涤过程不好控制。
（4）反胶束法是先配制一定浓度的锆盐和钇盐的水溶液，再用注入法将该溶液注入有机溶液中，直到出现浑浊现象。再用同样的方法制得氨水溶液，最后在常温下把两种反胶束溶液进行混合、分离、洗涤并干燥，再进行高温煅烧，就可以得到产品。
3 氧化锆粉体的改性处理
通过共沉淀法制备的氧化锆粉体比较容易形成硬团聚，使粉体流动性下降，最终影响陶瓷材料的成型和烧结性能。一般的，在超细干粉中常常有一定量的微粒团，即团聚体。超细干粉的粒度非常低，相应的表面能就会比较高，这样它就容易和其它颗粒结合，从而产生团聚。团聚还分软团聚和硬团聚，硬团聚较难拆开，所以会在较大程度上影响烧结体的显微组织和性能。粉体的团聚如果比较严重，会不利于烧结，使烧结温度提高，最终可能导致烧结体的过烧。而较大的团聚体会使烧结体密度降低。相比而言，含硬团聚的烧结体的相对密度更低，所以硬团聚对粉体烧结性能的危害更大。
性能优良的烧结粉料应该是超细、等轴、没有团聚并且尺寸分布很窄的。要达到这一目标是非常困难的，为了解团聚可以采用控制团聚体形成和在团聚体形成后解聚两种方法。一种是采用水热法、溶胶凝胶法以及喷雾热解法等粉体合成工艺可以控制团聚体的形成。另外，可以在沉淀体系中加分散剂或者冷冻干燥前驱体来改善团聚。或者也可以在团聚体形成后对粉体进行处理，比如采用机械研磨法解聚。
A 粉体磨细
本文介绍的这种工艺是采用卧式砂磨机将国产氧化锆粉体进行磨细（其中选用0.5mm的氧化锆球作为研磨介质，可显著提高物料的粉碎效率），首先选择在粉体中加入一定量的聚丙烯酸铵做分散剂，配置成固相含量为10%的浆料，然后加入卧式砂磨机研磨10h。磨细后的粉体使用喷雾干燥，能够防止粉体在长时间的干燥过程中再次形成团聚。
砂磨机（图片来源：无锡泰贤粉体科技有限公司）
磨细喷干后的粉体形貌
B 喷雾造粒
造粒是通过在较细的粉体中加入一定量的塑化剂，制成粒度较大、具有一定假颗粒度级配并且流动性好的球体。这个球体叫做团粒，它的质量能够十分显著地影响后续的成型和烧结。比较常用的造粒方法有以下几种：
（1）一般造粒法
此种方法是直接在粉料中加入塑化剂，经过混合、过筛得到团粒。一般造粒法的优点是便于操作，但是问题在于团粒的质量较差，球体大小不一，球形不好。
（2）加压造粒法
在粉料中加入塑化剂后压制成块，然后进行破碎、过筛而形成团粒。这种方法的团粒体积密度较大。
（3）喷雾造粒法
喷雾造粒法是把坯料和塑化剂混合后配置成固相含量一定的浆料，然后用喷雾器将浆料喷入造粒塔进行雾化，就能够得到流动性较好的球状颗粒。这种方法的产量大，适合工业化生产。
喷雾造粒中需要考虑的主要是配制合适的造粒浆料和选择合适的造粒参数。在配制浆料时需要选择合适的溶剂（例如水或酒精），确定粘结剂的种类和加入量，增塑剂的种类和加入量以及浆料的固相含量等。在造粒过程中，需要控制入料口的温度，出料口的温度以及进料速度等。确定合适的各项参数对于喷雾造粒的成功起着至关重要的作用。
（4）冻结干燥法
此方法是把金属盐溶液喷雾到有机液体里面，便可马上冻结。再把冻结物放在低温低压的环境下使其升华，脱水后热分解，最终得到所需粉料。通过此方法得到的颗粒组成均匀，具有良好的成型和烧结性能。但此法不适宜工业中的批量生产，多用于实验室造粒。
小结
PVP+PEG喷雾造粒粉显微形貌
研究者以不同组的造粒粉为原料，对其进行成型和烧结。最后测量烧结体的致密度、抗弯强度、相组成，并用扫描电子显微镜观察其断面形貌，比较喷雾造粒中不同组塑化剂的优劣。最终发现加入PVP（聚乙烯吡咯烷酮）和PEG（聚乙二醇）分别做粘结剂和增塑剂的造粒粉体具有最优的性能，在1450℃无压烧结后致密度达到了99.67%，接近进口造粒粉的致密度。另外其抗弯强度也比造粒前的粉体抗弯强度略有提高，达到了降低成本的同时，提高造粒粉的性能指标的目标。以上生产工艺过程中，所使用的卧式砂磨机、喷雾造粒机、干法成型和无压烧结等也都是大规模生产中常用的方法，对于实际生产有良好的借鉴意义。
参考来源：
玥梁，氧化锆粉体的表面改性处理，清华大学
梁玥，齐龙浩，苗赫濯，潘伟，国产氧化锆粉体的表面改性处理，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室
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