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彩色氧化锆陶瓷的制备方法以及应用领域
2018年12月11日    阅读量:1952    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

氧化锆陶瓷具有高强度、高韧性以及耐磨损、耐腐蚀等优良性能,广泛应用于模具、刀具、陶瓷轴承、电子元器件、生物医学材料等领域。目前,随着氧化锆陶瓷广泛应用于电子产品领域,尤其是作为手机背板,其单一的颜色已经制约了其应用,不能满足人们对于结构器件外观上的要求,所以开拓丰富多彩的颜色能极大地拓宽氧化锆陶瓷材料的应用领域,具有广阔的发展前景。

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图1 小米MIX3宝石蓝氧化锆陶瓷手机背板(图片来自小米手机)

一、彩色氧化锆陶瓷概述


随着技术的不断发展,彩色氧化锆陶瓷的合成方法越来越多元化中国建材网cnprofit.com。其制备技术的关键在于着色相(如CoO、Cr2O3、Fe2O3等)能够均匀分布在陶瓷基体中。研究合成的彩色氧化锆陶瓷必须达到晶体结构稳定,色彩艳丽均匀,高温及化学稳定性好,且不破坏其固有的性能。


对于彩色氧化锆陶瓷来说,由于构成基体与着色相的颗粒粒径小、表面积大、表面能高,颗粒间的毛细作用力、静电引力、范德华力突出,在此环境下,纳米粉颗粒极易团聚成一个尺寸较大的颗粒体,从而导致纳米复相陶瓷其相对较好的物理化学性能大幅降低。因此,要想制备出性能良好,颜色多样的氧化锆陶瓷,必须克服团聚现象,使着色相在陶瓷基体材料中均匀分散。


二、彩色氧化锆陶瓷制备方法


彩色氧化锆陶瓷的制备方法主要有:固相混合法、化学共沉淀法、液相浸渗法、高温渗碳法等。


1、固相混合法


固相混合法是采用混合球磨技术制备彩色氧化锆粉体。它将着色剂、矿化剂等氧化物颗粒按照一定化学配比,与稳定氧化锆纳米粉体进行混合、球磨,固体颗粒晶粒在此过程中被细化,发生了利于实现低温化学反应的微裂纹、晶格扭曲、表面能升高等现象。

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图2 固相混合法制备彩色氧化锆陶瓷工艺流程图

目前,固相混合法是制备彩色氧化锆陶瓷的主要方法。其优点是:工艺简单、成本低廉、操作方便、易工业化。缺点是:无法克服纳米颗粒团聚,着色相和基体纳米颗粒混合不均匀,且球磨时间长,球磨介质或大气对粉体有可能造成严重的污染。


2、化学共沉淀法


化学共沉淀法是利用锆盐、稳定剂盐和着色离子盐溶液混合后,通过与碱或者碳酸盐等的反应,共同生成氢氧化物或者碳酸盐沉淀,然后加热分解而获得氧化锆复合粉体。共沉淀法中,溶液中的金属阳离子由于过剩的沉淀剂使之同时沉淀下来成为混合物,而在特殊的情况下,要求沉淀下来的复合氧化物或其前驱体必须符合一定的化学计量比,阳离子以一定的比例生成沉淀。

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图3 黑色氧化锆陶瓷应用于手表带

化学共沉淀法优点是:获得的氧化锆粉体纯度高、性能优良。其缺点是:由于彩色氧化锆共沉淀离子复杂,导致后期烧结过程中反应复杂,氧化锆稳定剂有可能与着色离子发生不可预期的反应,从而大量消耗。这一方面影响最终彩色氧化锆制品的性能,另一方面也影响着色离子的显色光学性能。

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3、液相浸渗法


液相浸渗法是首先把注射成型后的氧化锆陶瓷坯体经过水萃取脱脂得到具有连通孔隙结构的坯体,然后将其置于含有着色相离子的溶液中进行浸渗。着色相离子随着溶液经由孔隙从坯体的表面渗入其内部;浸渗的深度由浸渗时间的长短来控制,最后制得各种性能优异的彩色氧化锆陶瓷。此外,直接使用经过水萃取脱脂得到的坯体来进行浸渗,是因为此坯体经过水萃取脱脂后内部会形成均匀连通的空隙结构,方便着色相离子均匀分布在坯体中。只要能够浸渗完全就能制备出颜色均匀的彩色氧化锆陶瓷。


液相浸渗法优点是:在工艺上更加简便,且制备出的彩色氧化锆陶瓷在颜色均一性和物理性能上都具有明显的优势。此外,液相浸渗法能充分利用注射成型能制得各种形状复杂的氧化锆坯体,从而制得各种复杂形状的彩色氧化锆陶瓷。


4、高温渗碳/氮法


高温渗碳法主要用于制备黑色氧化锆陶瓷,其工艺过程是将氧化锆陶瓷加工成坯后,进行正常的脱脂、脱蜡,在低温不保护气氛素烧处理,然后再将处理后的氧化锆生坯在真空保护条件下进行高温烧结。在烧结时摆放工件采用石墨坩埚,并且在工件表面放置石墨纸。利用石墨在高温下对氧化锆表面的渗入来实现对氧化锆陶瓷的黑色着色。


此外,研究者采用高温等离子体渗氮的方法制备出金色氧化锆陶瓷材料。


三、彩色氧化锆陶瓷应用


1、手机背板


氧化锆陶瓷应用于手机背板具有无干扰,无磁性,接收信号强,同时色彩多样,永不褪色,此外,还可以用于指纹识别模组用陶瓷盖板。


2、智能穿戴外观件


氧化锆陶瓷材料具有防刮耐划无屏蔽,手感温润有质感,具有良好的耐腐蚀性及生物相容性,应用于智能穿戴外观件。


3、陶瓷刀具


氧化锆陶瓷刀具具有超高强度、耐磨损、刃口锋利、不生锈、无异味、经久耐用等优良特性。


目前,制备彩色氧化锆陶瓷的难点之一是如何克服氧化锆粉体团聚,使着色相在陶瓷基体材料中均匀分散,2018年12月23-25日,在广东珠海召开的《2018全国粉体检测与表面修饰技术创新论坛》,邀请粉体研究领域专家,相信陶瓷粉体分散性会有新的解决方案。


标签:建材百科今日头条建材应用技术中心瓷砖陶瓷
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