锆石与钻石争辉只是序曲

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锆石作为地球上最为古老的矿物之一，以其美妙的色彩和绚丽的闪光为人们所称道。古人一直把锆石当作有故事的石头，并因此演绎了许多美丽的神话传说。经过切割和抛光的锆石在外观上酷似钻石（虽然在硬度上要比钻石逊色不少），曾作为珠宝被人们传承了多个世纪，而不知道沉睡其中的锆的“真身”。

锆这个令人陌生的金属元素，因具有突出的核性能而成为原子能时代的关键材料。如今，锆已经在社会生活的多个领域大放异彩。让我们一同走进锆的世界，去探秘它的非凡应用和价值。

沉睡的宝藏，千呼万唤始出来

锆石（ZrSiO4）也被称为锆英石、风信子石等，为硅酸盐类矿物。常见的锆石多为无色、红褐色、黄色、绿色、红色和蓝色等，其中最为流行的颜色是蓝色和无色。天然锆石可以通过切割和抛光而变得光彩夺目，因此可用于珠宝或艺术收藏。

1789年是锆元素发现史上的一个重要年份。德国化学家克拉普罗特对锆石进行了研究，并获得了一种有别于已知氧化物的沉淀物。克拉普罗特断言沉淀物中存在一种未知的化学元素，并将这种沉淀物命名为Zirkonerde（锆土）。后来，人们据此将这种未知元素的拉丁名称定为Zirconium（锆）。

克拉普罗特的工作澄清了人们对于锆石的误解，因为锆石与钻石在化学组成上是迥然不同的。不过，克拉普罗特获得的沉淀物其实是锆的氧化物，并没有分离出锆的单质。这是因为锆在自然界是以化合物的形式存在的，提取十分困难。

1808年，英国化学家戴维试图利用电解法分离出锆元素，但没有取得成功。1824年，瑞典化学家贝采里乌斯首次制取出了锆金属，但是纯度并不高。此后，有许多科学家对锆的化合物进行了研究，但都没有获得具有可锻性能的锆金属，因此影响了锆的应用研究。

进入20世纪之后，对于锆的研究进入了快车道。1910年，荷兰工程师莱里和汉姆贝格制得了少量具有金属性能的锆。1925年，荷兰化学家利用四碘化锆的热分解首次生产出了高纯度的韧性金属锆。1940年，卢森堡的研究人员开发了一种基于四氯化锆还原法的金属锆制造技术。该方法因为降低了锆的生产成本，从而为锆的工业化应用奠定了基础。

对中子“透明”，原子能时代的No.1

锆是一种灰白色的有光泽的金属，密度为6.5克每立方厘米,熔点为1852℃，具有很高的硬度和强度以及惊人的抗腐蚀性能，并被誉为“原子能时代的第一号金属”。

锆之所以能搭上原子能时代的“班车”，主要得益于其拥有一个非常重要的物理性质，那就是对中子“透明”。所谓对中子“透明”，就是允许中子穿过，自身不会吸收或者仅吸收极少量的中子。

核电站通过铀燃料的裂变反应产生大量的热能，高压水把产生的热能带走，并通过产生蒸汽来推动汽轮机进行发电。铀燃料在核反应堆内是装在包壳管之内的，制造这个包壳管的材料必须满足一些苛刻的要求。比如，要求这种材料对中子“透明”。如果选择的金属材料对中子不“透明”，那就意味着能够吸收中子。这样一来，铀燃料裂变时产生的中子在穿越包壳管时就会被捕获，不能再用于裂变反应了。同时，由于包壳管外表面与高温高压水相接触，因此对金属材料的抗腐蚀性能也有严格的要求。

在反应堆中，用锆合金制成的包壳管，厚度仅0.57～0.64毫米，长度4米，管里装有二氧化铀芯体。一座1000 兆瓦级的核电站需要177个核燃料组件，每个核燃料组件需要17×17个锆合金管。

事实证明，锆合金是制造包壳管的最佳材料，它既不会从裂变反应中移除中子，又能够抵御高温高压水的腐蚀。需要说明的是，制造包壳管的锆合金必须为核级锆材。因为在锆石中锆与铪通常共同赋存其中，并且具有极为相似的化学性质，分离起来非常困难。

锆与铪虽为“孪生兄弟”，但它们各具个性。在非核级锆材中，通常含有1%~3%的铪，在一般应用中并无大碍。在反应堆中情况就大不相同了。科学家看重的是锆材对中子“透明”这一特质，而铪的热中子吸收截面是锆的600倍，意味着会吸收很多中子。因此，核级锆材要求把铪完全去除（含量小于0.02%）才能应用。核级锆合金是确保核安全的第一道屏障，依靠它把核燃料密封在燃料棒中，既要防止放射性物质泄漏，又要维持反应堆高效运行。一座1000 兆瓦级的核电站首炉核燃料装入时大约需要30吨核级锆材，而且每12~18个月还需要更换部分核燃料。

20世纪70年代以来，我国核级锆材一直依赖进口，这已经成为制约我国核电发展的核心材料“短板”。经过多年技术攻关，我国首个自主研发的满足三代核电要求的核级锆材于2018年正式入堆，从而改变了我国核级锆材受制于人的局面。

我国代号为N36的核级锆材以锆为基体加入其他多种元素制成，在300～400℃的高温高压水和蒸汽中具有良好的耐蚀性能和较低的热中子吸收截面，对核燃料有着良好的相容性。

特殊使命，生物陶瓷的“健康之约”

制造医用假体植入物的材料很多，大体上有医用不锈钢、钛基合金、钴基合金、高分子聚乙烯以及陶瓷材料等。以二氧化锆为主要成分的氧化锆陶瓷是一种很好的生物惰性陶瓷材料，在医疗健康领域具有非常广泛的应用。

从20世纪70年代开始，生物陶瓷（如氧化铝）被应用于制造骨科假体材料，如用作髋关节的置换材料。现在，用于人工髋关节置换术的陶瓷材料主要有氧化铝、氧化锆以及氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷。

髋关节是我们人体最为重要的关节之一，承受着人体大部分的重量。髋关节的病变严重影响人们的运动功能和生存质量，因此开展髋关节假体置换就成为了一个可行的方案。如今，全髋关节置换技术已经十分成熟，并且置换材料也在与时俱进地发展和进化。氧化锆陶瓷的第一个医疗应用就是作为髋关节头的置换材料而走向临床的。

氧化锆陶瓷应用于医疗健康领域，主要得益于其具有良好的生物相容性。氧化锆陶瓷具有非常好的化学稳定性，尤其在生理环境中表现出惰性的特质，因此在人体内具有很高的稳定性。同时，氧化锆陶瓷的强度、韧性、耐磨性也都很好，这也是生物植入材料所必需的。

在氧化锆陶瓷中加入适量的稳定剂，可以生产出性能更为优秀的稳定型氧化锆陶瓷。如在氧化锆陶瓷中加入2%～3%的氧化钇，则可以制得氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷（Y-TZP），其弯曲强度和断裂韧性都要比氧化铝陶瓷更好。

氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷是以氧化铝、氧化锆为主要成分，并加入少许其他氧化物制成的一种复合陶瓷材料。该材料利用氧化锆相变增韧的机理，既保证了复合材料的硬度和耐磨性，又提高了复合材料的断裂韧性，会在医学植入手术中获得更好的应用效果。

氧化锆陶瓷应用于牙科，既是氧化锆的机遇，也是患者的福音。用于牙科的氧化锆陶瓷一般为Y-TZP 陶瓷，氧化钇的加入不仅改善了氧化锆陶瓷的物理性质，而且促进了其稳定晶体结构的转化。

Y-TZP 陶瓷以其特有的生物相容性和优异的力学性能、美学性能而成为目前牙齿临床修复的首选材料。具体来说，它的生物相容性要优于各种金属合金，对牙龈没有刺激作用，可以排除对金属的过敏反应，能够适应口腔复杂的理化和生物环境。其优异的力学性能体现在高韧性和高强度的融合，从而提高了其机械性能和耐用性能。至于美学性能，当然也是不容置疑的。Y-TZP陶瓷的本色为白色，有着非常好的半透明度。用其作为牙齿修复体，看上去几乎与天然牙齿无异，自然就非常美观了。

走进生活，润物无声的改变

我们都知道，普通的陶瓷材料以硬度高见长，而以韧性差为“短板”。而近些年诞生的氧化锆陶瓷则是一种新型高科技精细陶瓷，既保留了传统陶瓷的强度，又具有传统陶瓷不具备的韧性，因此被人们誉为“陶瓷钢”。

那么，氧化锆陶瓷都能干些什么呢？我们还是先来说说走进生活的氧化锆陶瓷制品吧。氧化锆陶瓷菜刀，轻便自不必说，不生锈也是值得称道的。其锋利程度要胜过钢刀许多倍，而且还极其耐磨，不用担心刀锋会被钝化。陶瓷刀对酸和碱具有很强的耐受性，并且不会释放金属离子，这一点在切水果和蔬菜等食物时尤为重要。不过，在处理带骨食材时，还是用不锈钢刀更为合适一些。另外, 陶瓷刀从高处坠落时容易发生损坏。

氧化锆陶瓷刀不仅可用于现代厨房，而且也可以用于工业等领域。像氧化锆和氧化铝陶瓷剪刀、剃刀以及手术刀等，近年来比较流行。

我们的生活离不开轴承，自行车、电动车、汽车、火车等交通工具都有轴承在支持，电脑、冰箱、医疗器械、低温工程、光学仪器、高速机床等也需要依靠轴承来维持正常工作。氧化锆精细陶瓷的诞生，在轴承领域也派上了用场。与金属轴承相比，氧化锆陶瓷轴承则是优势多多。一是陶瓷轴承较金属轴承耐腐蚀，因此寿命会长一些；二是陶瓷轴承较金属轴承更轻盈，在转动时对外圈的离心作用可降低不少；三是陶瓷能耐受高温，并且热胀冷缩作用要比金属更小；四是陶瓷在受力时不变形，因此可保持较高的精度。陶瓷轴承的诸多优异性能决定了其在恶劣环境和特殊工况条件下的工作可靠性。

据悉，某公司在电脑冷却风扇中使用氧化锆陶瓷轴承，在产品寿命和噪声稳定性等方面表现比较好。当然了，陶瓷轴承并不是氧化锆一统天下，像氮化硅、碳化硅等陶瓷材料，也都在陶瓷轴承领域占有一定的份额。

随着5G时代的到来，智能手机的科技进步也在加快。其中，氧化锆陶瓷手机背板就是一个重要的应用。5G时代信号传输速度加快，因而对硬件性能的要求也会更高一些。相较于传统的金属背板，氧化锆陶瓷背板具有独特的优势。高强度、耐腐蚀、高稳定性等品质是氧化锆陶瓷的长项,并且氧化锆陶瓷不存在信号屏蔽，散热性优良，外观看上去也十分时尚。不过，氧化锆陶瓷手机背板采用的是纳米复合氧化锆材料，对原材料的质量和制备工艺要求很高。氧化锆陶瓷除了用作背板之外，还可以用作智能手机氧化锆陶瓷除了用作背板之外，还可以用作智能手机氧化锆陶瓷除了用作背板之外，还可以用作智能手机指纹识别盖板。氧化锆陶瓷具有的硬度、韧性以及绝缘性和导热性等性能，使其成为制作按压指纹识别模块盖的合适材料。氧化锆陶瓷还具有介电常数高的特点，可使指纹识别操作更加灵活，成功率也会更高。

锆及其化合物以其优异的性能而受到人们的青睐，并成为许多尖端科技领域的先进材料。在航天、机械、电子、汽车、冶金、能源、化工等诸多领域，锆及其化合物都有用武之地。

本文节选自《百科知识》2022.5B

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