ZrO2(CaO)与ZrO2(1/2O3)是氧化锆基固体电解质最常用的两种陶瓷材料。由于氧化锆很难烧结,因此需要加入适量的稳定剂。在稳定化的ZrO2中稳定剂的金属离子与Zr4+进行不等价置换,从而产生了氧空位。如以Ca2+为例,当Ca2+取代Zr4+之后,正电荷少了2个,于是在Ca2+周围必须失掉一个在正常位置上的O2-离子,才能保持晶格的电中性,这样便产生一个氧空位。同样,如用Y3+取代Zr4+,正电荷少了一个,则在两个钇离子周围存在一个氧空位。因此,在稳定化的ZrO2晶格内存在大量氧空位,使 ZrO2陶瓷成为导电陶瓷。
不同稳定剂的ZrO2陶瓷的电导率是不同的。
氧化锆(ZrO2)导电陶瓷制造的关键是原料的纯度与粉料的制备,一般要求ZrO2的纯度应达99. 5%,属超细粉末(<0.05μm);稳定剂采用Y2O3或Al2O3,其纯度应为试剂级。
粉料制备时,由于稳定ZrO2的硬度大,一般应用钢球磨进行球磨。大约球磨80h后,小于1. 76μm的细粉约60%。如要细度<1μm,则要延长球磨时间100~200h。球磨后粉料要用盐酸处理48h,酸洗后再用水清洗至中性,烘干备用。
如用注浆成型,注浆料可在塑料或瓷球磨瓶(筒)内配制成中性料。如取料:球:水:阿拉伯树胶之比为1:1.5:0.16:0.15,混磨8~10h,使之具有较好的悬浮性和流动性。
用干压成型,坏料中应加人适当的粘结剂(羧甲基纤维素等),以等静压成型为最佳。
成型后的坯体,在中性或氧化气氛的窑炉中,于1800~1840℃温度下烧成。
加入稳定剂的ZrO2在高温时具有导电性,利用ZrO2在高温时的导电性,氧化锆导电陶瓷可用作高温电极和发热材料。
利用ZrO2在一定条件下具有传递氧离子的特性,可以制成固体氧浓差电池、氧传感器,进行氧浓度的测定等。
氧浓差电池可检测氧气浓度,制造燃料电池,制取氧气,水分解法制氢等。
炼钢用氧测定仪能精确测定钢液中的氧含量。测氧仪的主体为ZrO2固体电解质。
氧化锆氧传感器可用来测量汽车尾气废气中的氧含量,从而控制空燃比,达到节省燃料,减少废气对周围环境污染的目的。
此外,还可利用氧化锆导电陶瓷的导热、导电性,用它作为高温发热材料(在空气中最高发热温度可达2100~2200℃)以及高温电极材料(如磁流体发电装置中的电极)。同时还可利用氧化锆和铬酸镧各自的优点制成复合材料。
3. 氧化锆导电陶瓷的性能与用途