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二氧化锆陶瓷 一 概述 二氧化锆 ZrO2 陶瓷又称为氧化锆陶瓷 是一种新型陶瓷材料 颜色 白色 高纯ZrO2 黄色或灰色 含少量杂质HfO 化学性质不活泼 且硬度次于金刚石 是耐火材料 高温结构材料 生物材料和电子材料的重要原料 锆在地壳中的储量超过Cu Zn Sn Ni等金属的储量 资源丰富 含锆矿石 斜锆石 ZrO2 锆英石 ZrO2 SiO2 二 ZrO2的晶型 在常压下共有单斜 四方和立方三种晶态 上述三种晶型存在于不同的温度范围 并可以相互转化 1170 2370 d 5 656 106 27g cm3 t ZrO2 c ZrO2 m ZrO2 氧化锆陶瓷 部分稳定氧化锆陶瓷 PSZ 四方氧化锆多晶体陶瓷 TZP 氧化锆 相变 增韧陶瓷 ZTC 三 氧化锆陶瓷分类 部分稳定氧化锆陶瓷 PSZ 形成t c双相组织结构 可保存到室温 在外力下会诱发t相到m相的马氏体相变并伴随体积膨胀 耗散部分能量 抵消了部分外力从而起到增韧作用 称为应力诱导相变增韧 具有优良的高温热稳定性 低热导率 高强度和韧性等优良的性能 c ZrO2大晶粒 t ZrO2小晶粒 稳定剂 适宜温度 c相t相 氧化锆陶瓷餐具 四方氧化锆多晶体陶瓷 TZP 当稳定剂加入量控制在适当量时可以使t ZrO2以亚稳状态稳定保存到室温 在外力作用下可使t ZrO2发生相变 增韧不可相变的ZrO2基体 使陶瓷整体的断裂韧性改善 具有高强 高韧性 高耐磨等优良的机械性能 Y TZP磨球 氧化锆 相变 增韧陶瓷 ZTC 在不同陶瓷基体中加入一定量的ZrO2并使亚稳态TZP均匀地分布在陶瓷基体中 利用氧化锆相变增韧机制使陶瓷的韧性得到明显的改善 具有优良的力学性能 低的导热系数和良好的抗热震性 氧化锆陶瓷刀具 氧化锆陶瓷假牙 四 氧化锆陶瓷在燃料电池上的应用 ZrO2在功能陶瓷领域的一个重要用途是利用ZrO2作为固体电解质来研制第三代燃料电池 固体氧化物燃料电池 SolidOxideFuelCell SOFC 它由用氧化钇稳定的氧化锆 YSZ 陶瓷给氧离子通电的电解质和由多孔质给电子通电的燃料和空气极构成 空气中的氧在空气极 电解质界面被氧化 在空气与燃料之间氧的分压差作用下 在电解质中向燃料极一侧移动 并在燃料极电解质界面和燃料中的氢或一氧化碳反应 生成水蒸气或二氧化碳 放出电子 电子通过外部回路 再次返回空气极 此时产生电能 SOFC工作原理 中科院15年研发的5千瓦级SOFC 加拿大FuelCellTechnologies公司90年代出厂的5千瓦级SOFC 西屋公司80年代在荷兰安装的SOFC示范电厂 可以获得超过60 效率的高效发电 对燃料的适应性强 能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行 不需要使用贵金属催化剂 使用全固态组件
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