氧化鋯粉末(zirconia powder)


氧化鋯是一種極具工業應用潛力的耐高溫材料，除了可以提供高強度、高韌性、高硬度(僅次於鑽石及少數陶瓷)，以及優異的耐磨性與化學腐蝕性。 氧化鋯在室溫爲單斜晶相(monoclinic phase)，隨著溫度上升到1170℃時會轉變成正方晶相(tetragonal phase)，溫度再上升至2370℃時則轉換成立方晶相(cubic phase)，而立方晶相則在2680℃溶解成液相，Wolten 指出由正方晶轉換成單斜晶是一種麻田散型(Martensitic trans- formation)的轉換，而這種相轉換會引起3-5%體積變化，因此會造成微裂縫(micro-crack)，因此後來研究出添加若干氧化釔(Y2O3)、氧化鈣(CaO)或氧化鎂(MgO)等相安定劑(stabilizer)，使得氧化鋯全部維持在高溫的立方晶相，稱做全安定化氧化鋯(full stabilized zirconia, FSZ)，或保有部分的正方晶，稱爲部分安定氧化鋯(partially stabilized zirconia ,PSZ)，而釔系氧化鋯隨添加3~8mole%氧化釔用量多寡，可形成正方晶或立方晶相含量之不同的微結構，可分別應用在電子、紡織、機械或能源材料及元件上。 氧化鋯材料具有獨特的原子鍵結及晶體結構，因此在高溫、導電、機械、光學方面之應用都有其特殊的貢獻。

(1)高溫耐火領域：由於氧化鋯材料高熔點(Tm>2300℃)、抗高溫鋼水侵蝕之特性，最早應用於耐火材料領域。但因爲價位的緣故，最近僅用在高附加價質之耐火産品，像鋼水流嘴、噴嘴、閥門、高溫纖維、高溫鍍層等。

(2)導電特性應用領域：ZrO2的電性在十九世紀末即被注意到，研究人員研究添加不同氧化物，在氧化鋯中形成固溶體，使氧化鋯産生離子電導(ionic conduction)效應，具有高溫固態電解質的特性，從高溫的發熱元件、磁動力能量産生器(magneto- hydrodynamic powder generator, MHD)的高溫電極，以及氧離子的傳導材料，都有其應用實例。最近由於環保法令要求，廢氣排放及反應器之氣氛的控制變得非常重要，研發人員利用氧化鋯在450℃以上導電的特性，發展出高溫燃燒監測的廢氣感測器、鋼鐵制程的煙氣感測器、熱處理爐的氧化氣氛的控制器。

(3)結構機械應用領域：七0年代，澳洲的學者Garvie發表，氧化鋯添加氧化鈣(CaO)之後，高溫的正方相可以被保留到室溫，而且後續之研究更發現，室溫下之t-相會産生麻田散型相變態，可以大幅度提高氧化鋯的韌性。因此，最近二十年來，氧化鋯增加了許多結構方面的應用，像是耐磨件(wear resistant parts)、光纖接頭(ferrule)、光纖袖管(sleeve)、高爾夫杆之擊球面、手錶鏈等日用或工業産品。

(4)化學反應容器：坩堝、刮片、攪拌葉

(5)光學應用：寶石、釉藥失透劑,

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Zirconia is remarkable material, which include three polymorphs –cubic, tetragonal and monoclinic.

The monoclinic phase is stable at all temperatures below 1170℃, which can be used as additive for MLCC powder to enhance the electrical conductivity.

The tetragonal phase is stable between about 1170 and 2370℃,yttria partially stabilized tetragonal polycrystal (Y-TZP) is being used as a structural engineering material due to its high wear resistance, strength(800~1200 MPa) and fracture toughness(>4Mpa .m0.5). The excellent material properties have been mainly attributed to the tetragonal to monoclinic phase transformation associated with volumedilatation, which produces compressive stresses and hinders crack propagation.

The cubic phase is stable from 2370℃ to the melting point(2680 +/- 15℃),which are used as oxygen sensor for automobile and electrolyte for solid oxide fuel cells(SOFC).

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