纳米复合（稳定）氧化锆的应用

一、齿科材料 

二氧化锆全瓷牙是一种耐高温、耐磨损、耐腐蚀的无机非金属材料制作的牙；是自然界中以斜锆石存在的一种矿物制作的牙。二氧化锆全瓷牙都是用计算机CAD-CAM技术制作完成的，即激光扫描、计算机辅助设计、三维数控专业机床上加工出适合的牙冠或叫牙桥。此方法制作的二氧化锆全瓷牙有极高的密合性，它保证了模内冠的精确性和优良的边缘密闭性，使做出来的瓷牙与患者口内基牙非常贴合，大大减少了修复后牙根炎的发病率。被国内外人士公认为“牙齿修复“首选。

ZrO2陶瓷于20世纪80年代中期开始应用于人工关节，由于氧化锆存在三种晶形，并且在晶形转化的时候会引起体积，使材料容易发生开裂，产生裂纹，影响其作为人工关节的使用寿命。因此和齿类材料一样，纯的氧化锆也不能作为人工关节材料使用。为了提高氧化锆的稳定性，通过热处理和添加一些掺杂稳定剂，如Y2O3、CeO2、MgO等，来稳定其晶体结构，使其在常温下能保持四方相，增强其机械强度。

三、燃料电池

固体氧化物燃料电池用锆基电解质是SOFC中应用最为广泛，研究最多的电解质材料。立方稳定复合ZrO2基电解质材料拥有极大的离子电导率，在高温下、氧化和还原气氛中保持良好的化学稳定性，并且在很大的氧分压范围内具有纯的氧离子导电特性，同时具有很好的机械加工强度，可制作成致密膜电解质，因此其满足了固体氧化物燃料电池的几乎所有要求，成为制备SOFC电解质材料的首选，是固体氧化物燃料电池的核心部件。其电解质材料为钇稳定纳米氧化锆（YSZ），正极为YSZ表面镀Ni等金属，适用于中大型燃料发电项目。

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会得到广泛普及应用的一种燃料电池。

SOFC系统中有2个构件,即阳极和电解质都选择钇稳定氧化锆(YttriaStabilizedZirconia,YSZ).

一、钇稳定纳米氧化锆用在SOFC系统中的阳极

SOFC反应中包括燃料或氧气(通常是空气),电解质(固体或液体)和电极3种物质的接触,三相接触是燃料电池设计的关键技术之一. SOFC的关键技术体现在电池构件的材料选择方面, SOFC系统中阳极支撑体采用摩尔分数8%的Y2O3掺杂于氧化锆陶瓷(厚度1mm),阳极功能层为10～20m厚度的NiO+YSZ薄膜. 电池专用钇稳定纳米氧化锆（CY-R50Y8）是应用于固体氧化物燃料电池中的理想材料。

二、钇稳定纳米氧化锆用在SOFC系统中的电解质

SOFC电解质的常用材料是氧化锆，但纯氧化锆在1000℃时电导率很低，为10-7Scm-1，接近于绝缘物质，氧离子导电性很差，一般采用掺杂的办法来提高其导电性，所以用氧化钇掺杂的氧化锆提高其导电能力。钇稳定纳米氧化锆（CY-R50Y8）抗氧化还原的稳定性好，价廉易得，并且在高温下具有足够高的氧离子导电率，良好的化学稳定性和机械性能，因而被应用于制备SOFC的电解质薄膜。

高温燃料电池系统中影响钇稳定氧化锆（YSZ）的性能有两方面:杂质含量和粒度,因为超细的粉末具有巨大的表面积,使材料的烧结驱动力剧增,扩散速率也增加,扩散路径缩短,从而使烧结过程显著加快,使烧结温度降低,有利于后期组件的制备。又由于电解质在燃料电池中有物理隔离层的作用,所以需形成致密结构,从而也要求粉体粒度小,粒径均匀。九朋牌钇稳定纳米氧化锆（CY-R50Y8）粒径50-80nm，具有纳米颗粒尺寸细、粒度分布均匀、无硬团聚和很好的球形度。利用本品掺杂不同元素的导电特性，广泛用于制做固体氧化物燃料电池中。

采用氧化锆制成的传感器有良好的导电性，在控制汽车尾气、电厂锅炉的燃烧上起到重要作用。氧化锆式氧传感器是基于氧化锆固体电解质的材料特性来检测尾气中氧浓度的，按检测空燃比数值的范围不同分为：窄型氧传感器和宽型氧传感器。氧化锆式氧传感器是目前最成熟，产量最大的一种氧传感器。是汽车排放控制系统中的关键部件之一。

此型氧传感器将氧化锆烧结成管状，并与内层与外层涂上白金(Pt)，这就是氧化触媒的作用，当氧离子移动时即会产生电动势，而电动势的大小是依氧化锆两侧的白金所接触到的氧而定，最外层则覆盖一层保护壳。

内层白金面所大气接触，所以氧气浓度高，外层白金与排气接触，氧气浓度低。当混合比较高时，排放的废气所含的氧相对地减少，因此氧化锆两侧的白金所接触到的氧气高低落差大，所产生的电动势也相对高(将近1V)；当混合比稀时，燃烧完所多余的氧气较多，氧化锆两侧的白金层的氧气落差小，因此所产生的电动势低(将近0V)。由上述的情形可得到引擎控制计算机由此电压讯号即可侦测到当时混合比的状况。然而氧传感器须在高温才能发挥正常用作(400℃~900℃)，因此当引擎刚开始发动时，氧传感器尚未开始作用，须等到达到其作工温度才开始有电动势的产生，所以之后的氧传感器皆改良成加热型，也就是利用陶瓷加热器来使得传感器能也迅速地达到正常的作工状态，因此目前的车型几乎可以在引擎发动30秒后，氧传感器即可供给计算机正确的讯号，有些车型甚至可以达到更低的时间。

由于氧化锆的熔点高、导热系数低、化学性能稳定，所以常用做耐火材料。用纳米氧化锆制备的耐火材料优势更加显著，耐高温（使用温度可达2200℃）、强度高、绝热性能好、化学稳定性优，主要用于操作温度在2000℃以上的环境中。

氧化锆复合耐火材料是指由稳定或部分稳定ZrO2与其他氧化物或非氧化物复合的耐火制品。具有良好的力学和抗侵蚀性能。

汽车尾气净化催化剂一般由三个部分组成：载体（董青石、氧化铝）、助催化剂（纳米涂层增大比表面积、同时作为储氢材料）、催化剂（一般汽油车为铂钯铑等，柴油车为钒钨钛等）。其中锆铈固溶体复合氧化物材料作为助催化剂使用，是十分重要的涂层材料。

在冶炼稀有、难熔贵金属及合金时，由于需要加热到较高温度，一般材料难以满足要求，采用氧化锆制成的坩埚可加热到2430℃，氧化锆成为高温条件下使用坩埚的首选材料。

陶瓷刀具在20世纪初期即有使用，但因其脆性局限其使用范围。近年来，随着纳米复合氧化锆复合材料的进步，其韧性大幅改善。陶瓷刀从原有的航空航天等高科技领域开始扩大到工业陶瓷刀具，现在，已广泛应用于日常生活领域中。氧化锆可加工成各种刀具，在有传统金属刀具优点同时，还具有不生锈、健康、耐磨等优点，被誉为陶瓷钢。

纳米氧化钇稳定氧化锆粉体，因其优异的力学性能、化学稳定性和极高的精密度等，可以用来制备光纤连接器的稀土结构陶瓷光纤插芯（精密针）和套筒，是光纤网络中应用面广并且需求量最大的光纤无源器，是信息网络基础设施建设的重要组成部分。

随着5G、无线充电等新型传输方式的临近，无线频段越随着5G、无线充电等新型传输方式的临近，无线频段越来越复杂，金属机壳屏蔽将成为重大瓶颈。布局严格要求的5G天线，需要变换现有的金属机壳材质，陶瓷和玻璃都将成为可选方案。同时对于无线充电技术来讲，金属材料也是非常不友好的。因为目前大多数无线充电技术均采用电磁波原料，而金属对于电磁波会造成干扰，使得充电效率大大降低。可替代材料有塑料、玻璃和陶瓷。塑料易有刮痕，玻璃易碎，陶瓷材料凭借其优异的物理特性正逐步渗透到智能手机的外观件领域。

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