梧州市基于氧化锆制备工业陶瓷的探讨

崔同湘，陈绍霖

(梧州市发展和改革委员会，广西 梧州 543000)

梧州市基于氧化锆制备工业陶瓷的探讨

崔同湘，陈绍霖

(梧州市发展和改革委员会，广西 梧州 543000)

2008年以来，梧州市抓住东部陶瓷产业向西部转移的契机，依托丰富的高岭土资源，大力发展建筑陶瓷，目前已经培育规模以上陶瓷企业14家。建筑陶瓷属于高污染、高耗能、高排放产业，在经济发展步入新常态下，提升陶瓷产业附加值是梧州面临的迫切课题。本文基于梧州人工氧化锆宝石的发展基础，通过分析氧化锆陶瓷的最新进展，提出梧州市基于氧化锆升级陶瓷产业的相关建议。

梧州；氧化锆；陶瓷产业；转型升级

0　引　言

传统陶瓷是指以粘土、高岭土等天然无机非金属矿物为原料，经过粉碎、成型、煅烧等工艺制成的各种制品。随着经济社会的进步，陶瓷产品的种类不断增多，工业陶瓷凭借优异的性能和广泛的应用前景，得到蓬勃发展。从广义上讲，工业陶瓷是指用陶瓷生产方法制备的无机非金属固体材料和制品[1]。工业陶瓷通常分为两大类：结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷利用陶瓷的强度、刚度、耐磨性等力学性能，包括高温结构陶瓷、耐磨陶瓷和生物陶瓷等；功能陶瓷利用陶瓷的电磁光热等性能，包括电子陶瓷、磁性陶瓷、光电陶瓷、陶瓷传感器、能源陶瓷、化学陶瓷、汽车陶瓷和石英陶瓷等[1]。氧化锆由于其独特的性能，在耐火隔热材料、生物骨、牙齿、氧传感器和人工宝石等领域的应用非常广泛，是国家鼓励发展的高新性能材料[2,3]。

1　氧化锆陶瓷的性质及应用概述

氧化锆(ZrO2)属于面心立方结构(FCC)，Zr4+构成面心立方点阵，O2-占据面心立方点阵的所有四面体间隙。氧化锆稳定存在的晶型有三种，单斜、四方和立方，这三种晶型结构可相互转化。单斜氧化锆加热到1170 ℃时转变为四方氧化锆，并伴随有7-9 %的体积收缩；四方氧化锆加热到2370 ℃时转变为立方氧化锆[2]。氧化锆的增韧性能是通过四方相向单斜相转变实现的，在冷却的过程中，四方氧化锆在1000 ℃转变为单斜氧化锆，同时伴随有5-7 %的体积膨胀, 属于马氏体相变增韧[3]。氧化锆化学性质稳定，除硫酸(H2SO4)和氢氟酸(HF)外，耐其它酸碱的腐蚀；氧化钇(Y2O3)稳定的氧化锆熔点高达2700 ℃，适宜作陶瓷涂层和高温耐火材料；氧化锆的热导率只有1W/(m·K)，在常见的陶瓷材料中最低，适宜作隔热材料；氧化锆属于p型半导体过渡金属氧化物，受热产生氧的原子空穴对，适宜作催化剂材料[2-4]。此外，氧化锆还具有硬度高、耐磨损、可塑性好等突出的机械性能，使得氧化锆的应用非常广泛。

1.1陶瓷增韧和陶瓷釉料中的应用

陶瓷材料本身脆性大，对内部缺陷敏感，裂纹产生后会迅速扩展，导致陶瓷材料发生突然断裂[3]。陶瓷的脆性成为陶瓷制品推广应用的瓶颈问题，陶瓷增韧一直是材料科学家努力攻克的难题。氧化锆会发生四方相和单斜相转变，称为氧化锆的马氏体相变，使得氧化锆陶瓷具有增韧效果，被广泛用于增韧其它陶瓷材料，增韧原理有应力诱发相变增韧，微裂纹增韧和表面强化增韧等[5]。钟金豹等用纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具，提高商业氧化铝基陶瓷刀具切削性能和耐磨损性能[6]。谭业发等人用氧化锆增韧莫来石制备复相陶瓷，提高陶瓷材料在高温摩擦构件中的应用性能[7]。氧化锆是锆英石的主要成分，锆英石是高级陶瓷釉料[8]，同时氧化锆可提高陶瓷釉料高温粘度和釉料抗龟裂性能[2]。

1.2生物功能材料中的应用

氧化锆用于制作人工关节、骨修复和牙齿等生物功能材料，特别是制作的烤瓷牙具与金属牙具相比，有透光性好、稳定性高和生物相容性好等优点[2]。李刚等人通过长期的医疗实践发现，氧化锆牙具色泽与正常牙齿相近，耐高温、耐腐蚀，对牙龈无刺激、无过敏反应，能诱导新骨形成、促进髓底骨质破坏区愈合[9]。朱迎兰等人用纳米氧化锆制备与人松质骨相似的三维联通多孔支架作为细胞载体，骨髓间充质干细胞的附着和生长情况良好，为氧化锆用作人工骨提供实践支撑[10]。

1.3陶瓷刀具中的应用

氧化锆陶瓷刀具首先由日本研制成功并投向市场，由于独特的玉石般丰润亮泽，称为“贵族刀”，受到人们青睐和追捧[11]。李小燕等人用注凝成型法制备氧化锆陶瓷刀，制备的刀具胚体强度比干压成型的坯体高，烧结后的陶瓷刀具抗弯强度也高于干压成型刀具[11]。张朋等人以氧化锆为主要原料，以二硼化钛(TiB2)和氧化铝(Al2O3)为复相添加剂，采用真空热压烧结工艺制备氧化锆-二硼化钛-氧化铝陶瓷刀具，具有良好的韧性，可在数控设备上使用，满足高速加工需要[12]。

1.4催化剂和氧传感器中的应用

氧化锆具有良好的环境稳定性，还具有表面酸性、碱性和氧化性、还原性，且表面富含羟基；既可作催化剂的优良载体，本身也可用作催化剂[4]。童吉灶等人以硝酸锆、聚乙烯吡硌烷酮和聚乙二醇为原料，利用沉淀法合成纳米氧化锆催化剂，加入乙二胺为表面修饰剂能明显提高催化剂对甲基橙的吸附和光催化降解效果[13]。

（一）正确认识情感态度价值观目标。情感态度与价值观，是人对亲身经历过事实的体验性认识及其由此产生的态度行为习惯。它对人一生的成长都有着举足轻重的作用。英语教师在制定英语课目标时，还应意识到英语本质上是一种语言，而不同于一般知识，英语学习的目标首先要关注语言的交流功能，即作为人们交流思想感情的工具，所以英语学习首先要包含情感态度方面的目标和社会文化方面的知识。

传感器的作用是测定发动机燃烧后排气中的氧气含量，并把氧气含量转换成电压信号传递到计算机，以控制空气和燃气比例，确保燃料充分燃烧，并减少碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化合物等污染物排放[14]。氧化锆氧传感器尺寸小，价格低，可靠性高，已得到广泛应用。陈新喜等人通过实验研究发现，基于氧化锆的氧传感器，可在高温、高湿和高氧压条件下工作，并保持高的精度[15]。

1.5人工宝石中的应用

立方氧化锆折射率为2．15-2．23，色散为0．06；与天然钻石折射率2．42，色散0．044非常接近，因而被用作钻石的替代材料[16]。法国和前苏联的科学家先后用高频感应加热冷坩埚凝固制造立方氧化锆晶体，被称为凝壳法；1976年起，该方法生产的立方氧化锆晶体，被用作钻石的替代品推向市场，使得宝石饰品进入千家万户[17]。谢意红研究市场中彩色立方氧化锆宝石的成分，发现钕(Nd)、铒(Er)、铈(Ce)和铁(Fe)分别是浅紫色、粉红色、红色和酒黄色立方氧化锆的致色因素，为彩色立方氧化锆宝石的合成提供参考[18]。

2　梧州市氧化锆发展的基础

1982年港商崔福明先生在梧州建立第一家人工宝石加工厂，即崔氏宝石有限公司，进行宝石的来料加工；凭借当时廉价的劳动力和水电成本以及直通粤港澳的水路交通优势，梧州宝石产业得以蓬勃发展；到二十世纪90年代，台商、港商，以及泰国、韩国、墨西哥、俄罗斯、印度、美国和意大利等国的珠宝商纷纷到梧州投资，梧州迅速发展成为东南亚最大的人工宝石加工基地[19]。现在全世界70-80%的人工宝石都产自梧州，梧州因此享有世界人工宝石之都的美誉，生产的人工宝石主要销往泰国、美国、中东、印度和斯里兰卡等国家。梧州建有建筑面积近4万平方米的宝石城和建筑面积10万平方米的宝石大厦，形成集人工宝石原料生产、加工研磨、销售集散和人才培训于一体的产学研中心。为推动宝石产业发展，培育宝石市场，营造宝石文化，梧州于2004年11月举办第一届梧州国际宝石节，现已连续举办11届，成为提升梧州国际知名度和对外开放合作的重要窗口。

梧州人工宝石年产量近4000吨，约130亿粒，能够生产各种形状的锆石、刚玉、玻璃和尖晶等品种，不过95%以上是立方氧化锆宝石。立方氧化锆在自然界至今没有找到天然矿石，梧州用冷坩埚熔壳法制备人工宝石，工艺成熟，从业人员广，社会知名度高。梧州具有发展氧化锆产业的内部社会基础和外部社会影响力。

3　基于氧化锆制备工业陶瓷的建议

3.1建设氧化锆产业园

3.2发展氧化锆釉料，烤瓷牙和刀具

氧化锆在很多领域都有应用，结合梧州产业实际，重点发展氧化锆釉料，氧化锆烤瓷牙和氧化锆刀具。梧州依托高岭土资源发展建筑陶瓷，但生产仿古砖和全抛砖等产品的釉料还要从广东佛山等地购买；梧州要积极发展氧化锆陶瓷釉料，完善陶瓷制品产业链。生物医药产业是梧州传统优势产业，有中恒集团等龙头医药企业带动，有工人医院、人民医院和红十字会医院三家三级医院，具有发展生物医药产业的良好基础。在氧化锆的生物功能材料应用上，烤瓷牙是最成熟和深受大众接受的产品，梧州要抓住契机，积极发展氧化锆烤瓷牙。氧化锆陶瓷刀具耐腐蚀，抗氧化，光泽独特且环保健康，梧州也要积极承接制备氧化锆陶瓷刀具的企业。

氧化锆有三种晶型，在制备氧化锆陶瓷产品的过程中，由于晶型转变，发生体积变化，经常造成产品开裂，因而需要添加晶型稳定剂。氧化钇(Y2O3)是最常用的氧化锆晶型稳定剂，在制备氧化锆烤瓷牙和陶瓷刀具时，都需要添加5%左右的氧化钇。梧州含有大量的稀土资源，梧州的稀土成分主要是氧化钇和氧化铕。发展氧化锆烤瓷牙和刀具，需要利用氧化钇资源，可以实现氧化锆产业和稀土产业协同集聚发展，提升梧州工业发展水平。

3.3用好梧州国际宝石节品牌

国际宝石节是梧州的重要品牌和对外宣传符号，每年举办一次，成为梧州签约洽谈项目，向外推介产品的重要平台。积极邀请氧化锆烤瓷牙和刀具相关的龙头企业参加国际宝石节，利用该平台接洽项目，大力招商引资。在宝石节珠宝展览会上，设立氧化锆宝石延伸产品展区，展览氧化锆陶瓷釉料、氧化锆烤瓷牙和氧化锆陶瓷刀具等产品，宣传梧州基于氧化锆的陶瓷制品，打开销路，建立销售渠道。

4　结束语

梧州是立方氧化锆人工宝石的主要产区，具有发展氧化锆制品的技术条件、群众基础和社会影响力。梧州要围绕氧化锆大力发展工业陶瓷，提升陶瓷产业附加值。重点发展氧化锆釉料、氧化锆烤瓷牙和氧化锆刀具，利用好梧州国际宝石节平台，宣传推广基于氧化锆制备的工业陶瓷产品，助推梧州陶瓷产业跨越发展和转型升级。

感谢梧州市高层次人才产业发展研究小组对本课题(梧州市陶瓷产业转型升级研究)的资助。

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Manufacture of Zirconia-based Industrial Ceramics in Wuzhou

CUI Tongxiang, CHEN Shaolin
(Wuzhou Development and Reform Commission, Wuzhou 543000, Guangxi, China)

Taking the opportunity of transferring ceramic industry from east to west and the advantage of its abundant mineral resource of Kaolin, Wuzhou has been fostering the architectural ceramics industry since 2008, and the number of ceramic enterprises above the designated size has reached 14. The architectural ceramic industry is of high pollution, high energy consumption and high emission. With the economic growth transforming into the new normal developing type, increasing the added value in the ceramic industry is becoming an urgent task for Wuzhou. Based on the development of zirconia gem stone industry in Wuzhou, this paper is to analyze the latest progress of zirconia ceramic and give suggestions on the upgrade of Wuzhou ceramic industry by studying the use of zirconium oxide in ceramic production.

Wuzhou; zirconia; ceramic industry; transformation and upgrading

date: 2015-03-03.Revised date: 2015-03-06.

TQ174.75

A

1006-2874(2015)03-0043-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.03.009

2015-03-03。

2015-03-06。

通信联系人：陈绍霖，男，硕士生。

Correspondent author:CHEN Shaolin, male, Master.

E-mail:cuitongxiang_2013@tsinghua.org.cn