氧化鋯陶瓷具有高強(qiáng)度、高韌性以及耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于模具、刀具、陶瓷軸承、電子元器件、生物醫(yī)學(xué)材料等領(lǐng)域。目前，隨著氧化鋯陶瓷廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品領(lǐng)域，尤其是作為手機(jī)背板，其單一的顏色已經(jīng)制約了其應(yīng)用，不能滿足人們對于結(jié)構(gòu)器件外觀上的要求，所以開拓豐富多彩的顏色能極大地拓寬氧化鋯陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。

       圖1 小米MIX3寶石藍(lán)氧化鋯陶瓷手機(jī)背板（圖片來自小米手機(jī)）

       一、彩色氧化鋯陶瓷概述

       隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，彩色氧化鋯陶瓷的合成方法越來越多元化。其制備技術(shù)的關(guān)鍵在于著色相（如CoO、Cr2O3、Fe2O3等）能夠均勻分布在陶瓷基體中。研究合成的彩色氧化鋯陶瓷必須達(dá)到晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，色彩艷麗均勻，高溫及化學(xué)穩(wěn)定性好，且不破壞其固有的性能。

       對于彩色氧化鋯陶瓷來說，由于構(gòu)成基體與著色相的顆粒粒徑小、表面積大、表面能高，顆粒間的毛細(xì)作用力、靜電引力、范德華力突出，在此環(huán)境下，納米粉顆粒極易團(tuán)聚成一個尺寸較大的顆粒體，從而導(dǎo)致納米復(fù)相陶瓷其相對較好的物理化學(xué)性能大幅降低。因此，要想制備出性能良好，顏色多樣的氧化鋯陶瓷，必須克服團(tuán)聚現(xiàn)象，使著色相在陶瓷基體材料中均勻分散。

       二、彩色氧化鋯陶瓷制備方法

       彩色氧化鋯陶瓷的制備方法主要有：固相混合法、化學(xué)共沉淀法、液相浸滲法、高溫滲碳法等。

       1、固相混合法

       固相混合法是采用混合球磨技術(shù)制備彩色氧化鋯粉體。它將著色劑、礦化劑等氧化物顆粒按照一定化學(xué)配比，與穩(wěn)定氧化鋯納米粉體進(jìn)行混合、球磨，固體顆粒晶粒在此過程中被細(xì)化，發(fā)生了利于實(shí)現(xiàn)低溫化學(xué)反應(yīng)的微裂紋、晶格扭曲、表面能升高等現(xiàn)象。

       圖2 固相混合法制備彩色氧化鋯陶瓷工藝流程圖

       目前，固相混合法是制備彩色氧化鋯陶瓷的主要方法。其優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡單、成本低廉、操作方便、易工業(yè)化。缺點(diǎn)是：無法克服納米顆粒團(tuán)聚，著色相和基體納米顆粒混合不均勻，且球磨時間長，球磨介質(zhì)或大氣對粉體有可能造成嚴(yán)重的污染。

       2、化學(xué)共沉淀法

       化學(xué)共沉淀法是利用鋯鹽、穩(wěn)定劑鹽和著色離子鹽溶液混合后，通過與堿或者碳酸鹽等的反應(yīng)，共同生成氫氧化物或者碳酸鹽沉淀，然后加熱分解而獲得氧化鋯復(fù)合粉體。共沉淀法中，溶液中的金屬陽離子由于過剩的沉淀劑使之同時沉淀下來成為混合物，而在特殊的情況下，要求沉淀下來的復(fù)合氧化物或其前驅(qū)體必須符合一定的化學(xué)計(jì)量比，陽離子以一定的比例生成沉淀。

       圖3 黑色氧化鋯陶瓷應(yīng)用于手表帶

       化學(xué)共沉淀法優(yōu)點(diǎn)是：獲得的氧化鋯粉體純度高、性能優(yōu)良。其缺點(diǎn)是：由于彩色氧化鋯共沉淀離子復(fù)雜，導(dǎo)致后期燒結(jié)過程中反應(yīng)復(fù)雜，氧化鋯穩(wěn)定劑有可能與著色離子發(fā)生不可預(yù)期的反應(yīng)，從而大量消耗。這一方面影響最終彩色氧化鋯制品的性能，另一方面也影響著色離子的顯色光學(xué)性能。

       圖4 化學(xué)共沉淀法制備彩色氧化鋯陶瓷工藝流程圖

       3、液相浸滲法

       液相浸滲法是首先把注射成型后的氧化鋯陶瓷坯體經(jīng)過水萃取脫脂得到具有連通孔隙結(jié)構(gòu)的坯體，然后將其置于含有著色相離子的溶液中進(jìn)行浸滲。著色相離子隨著溶液經(jīng)由孔隙從坯體的表面滲入其內(nèi)部；浸滲的深度由浸滲時間的長短來控制，最后制得各種性能優(yōu)異的彩色氧化鋯陶瓷。此外，直接使用經(jīng)過水萃取脫脂得到的坯體來進(jìn)行浸滲，是因?yàn)榇伺黧w經(jīng)過水萃取脫脂后內(nèi)部會形成均勻連通的空隙結(jié)構(gòu)，方便著色相離子均勻分布在坯體中。只要能夠浸滲完全就能制備出顏色均勻的彩色氧化鋯陶瓷。

       液相浸滲法優(yōu)點(diǎn)是：在工藝上更加簡便，且制備出的彩色氧化鋯陶瓷在顏色均一性和物理性能上都具有明顯的優(yōu)勢。此外，液相浸滲法能充分利用注射成型能制得各種形狀復(fù)雜的氧化鋯坯體，從而制得各種復(fù)雜形狀的彩色氧化鋯陶瓷。

       圖5 液相浸滲法制備彩色氧化鋯陶瓷工藝流程圖

       4、高溫滲碳/氮法

       高溫滲碳法主要用于制備黑色氧化鋯陶瓷，其工藝過程是將氧化鋯陶瓷加工成坯后，進(jìn)行正常的脫脂、脫蠟，在低溫不保護(hù)氣氛素?zé)幚恚缓笤賹⑻幚砗蟮难趸喩髟谡婵毡Ｗo(hù)條件下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。在燒結(jié)時擺放工件采用石墨坩堝，并且在工件表面放置石墨紙。利用石墨在高溫下對氧化鋯表面的滲入來實(shí)現(xiàn)對氧化鋯陶瓷的黑色著色。

       此外，研究者采用高溫等離子體滲氮的方法制備出金色氧化鋯陶瓷材料。

       三、彩色氧化鋯陶瓷應(yīng)用

       1、手機(jī)背板

       氧化鋯陶瓷應(yīng)用于手機(jī)背板具有無干擾，無磁性，接收信號強(qiáng)，同時色彩多樣，永不褪色，此外，還可以用于指紋識別模組用陶瓷蓋板。

       圖6 氧化鋯陶瓷應(yīng)用于手機(jī)背板和指紋識別模組陶瓷蓋板

       2、智能穿戴外觀件

       氧化鋯陶瓷材料具有防刮耐劃無屏蔽，手感溫潤有質(zhì)感，具有良好的耐腐蝕性及生物相容性，應(yīng)用于智能穿戴外觀件。

       圖7 氧化鋯陶瓷材料應(yīng)用于智能穿戴外觀件（圖片來自三環(huán)集團(tuán)）

       3、陶瓷刀具

       氧化鋯陶瓷刀具具有超高強(qiáng)度、耐磨損、刃口鋒利、不生銹、無異味、經(jīng)久耐用等優(yōu)良特性。

       圖8 彩色氧化鋯陶瓷刀（圖片來自三環(huán)集團(tuán)）

       目前，制備彩色氧化鋯陶瓷的難點(diǎn)之一是如何克服氧化鋯粉體團(tuán)聚，使著色相在陶瓷基體材料中均勻分散，2018年12月23-25日，在廣東珠海召開的《2018全國粉體檢測與表面修飾技術(shù)創(chuàng)新論壇》，邀請粉體研究領(lǐng)域?qū)＜遥嘈盘沾煞垠w分散性會有新的解決方案。

       參考文獻(xiàn)：

       1、劉麗菲，高韌性彩色氧化鋯陶瓷的制備及性能研究，吉林大學(xué)。

       2、千粉玲，謝志鵬，孫家林等，非均勻沉淀法制備黑色氧化鋯陶瓷，硅酸鹽學(xué)報(bào)