氧化锆在耐火材料中的应用

氧化锆材料在耐火材料以及陶瓷材料中的应用研究，关键集中在相变增韧机制、常温和高温力学性能研究、摩擦磨损机制和氧化锆陶瓷实际应用等方面。

1、增韧、强化陶瓷

近十年来，不少学者研究利用母相基体中局部相产生微小体积改变和微裂纹来强化耐火材料，Claussen指出，ZrO2颗粒越细，其发生四方相→单斜相相变温度越低，能够由通常1000℃左右降到室温以下，甚至绝对零度。四方ZrO2向单斜ZrO2转变时，因为体积改变，在转化粒子周围形成很多小于临界尺寸微裂纹。这些微裂纹在负裁作用下是非扩展性，所以并不降低材料强度。当大裂纹在负裁作用下扩展碰到这些裂纹时，将诱发新相变，并使扩展裂纹转向而吸收能量，从而起到增韧效果。增韧效果见表1

表1部分陶瓷材料物理力学性能

对于烧结体表面，因为不存在基体约束，故四方ZrO2轻易转变成单斜ZrO2，而内部四方晶型因为受到来自基体各方面压力而保持亚稳状态，故表面产生体积膨胀，从而使表面形成压应力，起到表面强化作用。

2、氧化锆空心球砖

氧化锆空心球砖生产方法和氧化铝空心球生产方法原理一样，只是其熔融温度更高，要达成2700℃以上，现在中国广泛采取CaO为稳定剂。氧化锆空心球制品完全由氧化锆空心球制得，有良好高温强度和稳定气孔结构，用于超高温设备中炉盖等部位绝热材料，比如中频高温炉、炭黑反应炉、钨棒炉、钼炉等。表2为氧化锆空心球砖和氧化锆砖物理性能。

表2ZrO2空心球砖和ZrO2砖物理性能

3、定径水口

现在世界上大多数钢坏采取连铸技术生产，所以定径水口耐火材料使用寿命和性能十分关键。氧化锆质定径水口广泛应用于小方坏连铸中间包。水口性能好坏直接影响着连铸时间长短。定径水口是钢厂在浇铸方坯时采取滑动水口装置中水口砖。滑动水口装置从概念提出到工业化实现用了近80年，这其中最关键原因是材质不过关，它和塞棒系统比较优势显著。氧化锆质水口对钢水和熔渣耐侵蚀性好，通常采取纯度较高锆英石、CaO稳定ZrO2和工业氧化锆制作水口。表3.3为氧化锆定径水口砖性能。

表3氧化锆定径水口砖性能

滑动水口装置中最关键部件是滑板砖和嵌在其中水口砖，在装置中通常全部有上下滑板砖和上下水口砖，当上下水口砖重合时浇铸开始，上水口砖装在钢包底，它和上滑板砖是不动，下水口砖和下滑板砖滑动，实现角钢控制。上水口砖长久泡在钢水中，而且相对不宜更换，对制品要求高，期望寿命长。下水口关键控制浇钢速度和质量，对寿命要求较低，下水口砖寿命能够达成8h或更长。

4、薄膜和涂层

ZrO2是多年发展起来含有广泛用途薄膜材料，因它含有优良耐热、隔热性能、光学性能、电性能、机械性能及化学稳定性，可作热障涂层、绝缘、耐磨、耐蚀涂层及光电器件等，故可广泛用于航空航天、钢铁冶金、机械制造、光学、电学等领域，前景十分宽广。从现在资料来看国外(尤其是美、英等国)在这方面研究起步较早，且已取得了一定结果。美国国家航空航天局(NASA)早在20世纪70年代即已开始研究用电子束蒸镀、空气等离子体喷涂、等离子体辅助物理气相沉积等工艺水平制备Y2O3稳定化处理ZrO2陶瓷热障涂层。

多年来，美国IBM企业研究人员对溅射法沉积ZrO2膜作了多方面研究，用磁控溅射、射频溅射工艺沉积了ZrO2膜，并研制了新型高速反应磁控溅射设备，既提升了沉积速率，又节省了靶材。美国还对离子辅助沉积、多弧离子镀等工艺Al2O3、ZrO2功效薄膜作了大量研究。英国和日本则对ZrO2薄膜用作热障涂层进行了研究。作为光学膜，可用于激光反射镜、高折射率镜、宽带干涉滤光片。

5、氧化锆窑炉材料

日本旭硝子企业研制成功含氧化锆94%~95%锆质耐火材料，将其使用在玻璃窑顶部和关键部位，大大提升了玻璃窑寿命。氧化锆作为耐火材料关键用在大型玻璃池窑关键部位，早期使用锆质耐火材料，其氧化锆含量仅为33%~35%，将氧化锆熔融、吹制后得到大小不一样氧化锆空心球，制备多种高级隔热砖，避免了陶瓷纤维老化后粉尘污染问题，关键生产厂家有洛阳耐火材料研究院和山东第二耐火材料厂。