梧州市基于氧化鋯制備工業陶瓷的探討

崔同湘，陳紹霖

(梧州市發展和改革委員會，廣西 梧州 543000)

梧州市基于氧化鋯制備工業陶瓷的探討

崔同湘，陳紹霖

(梧州市發展和改革委員會，廣西 梧州 543000)

2008年以來，梧州市抓住東部陶瓷產業向西部轉移的契機，依托豐富的高嶺土資源，大力發展建筑陶瓷，目前已經培育規模以上陶瓷企業14家。建筑陶瓷屬于高污染、高耗能、高排放產業，在經濟發展步入新常態下，提升陶瓷產業附加值是梧州面臨的迫切課題。本文基于梧州人工氧化鋯寶石的發展基礎，通過分析氧化鋯陶瓷的最新進展，提出梧州市基于氧化鋯升級陶瓷產業的相關建議。

梧州；氧化鋯；陶瓷產業；轉型升級

0　引　言

傳統陶瓷是指以粘土、高嶺土等天然無機非金屬礦物為原料，經過粉碎、成型、煅燒等工藝制成的各種制品。隨著經濟社會的進步，陶瓷產品的種類不斷增多，工業陶瓷憑借優異的性能和廣泛的應用前景，得到蓬勃發展。從廣義上講，工業陶瓷是指用陶瓷生產方法制備的無機非金屬固體材料和制品[1]。工業陶瓷通常分為兩大類：結構陶瓷和功能陶瓷。結構陶瓷利用陶瓷的強度、剛度、耐磨性等力學性能，包括高溫結構陶瓷、耐磨陶瓷和生物陶瓷等；功能陶瓷利用陶瓷的電磁光熱等性能，包括電子陶瓷、磁性陶瓷、光電陶瓷、陶瓷傳感器、能源陶瓷、化學陶瓷、汽車陶瓷和石英陶瓷等[1]。氧化鋯由于其獨特的性能，在耐火隔熱材料、生物骨、牙齒、氧傳感器和人工寶石等領域的應用非常廣泛，是國家鼓勵發展的高新性能材料[2,3]。

1　氧化鋯陶瓷的性質及應用概述

氧化鋯(ZrO2)屬于面心立方結構(FCC)，Zr4+構成面心立方點陣，O2-占據面心立方點陣的所有四面體間隙。氧化鋯穩定存在的晶型有三種，單斜、四方和立方，這三種晶型結構可相互轉化。單斜氧化鋯加熱到1170 ℃時轉變為四方氧化鋯，并伴隨有7-9 %的體積收縮；四方氧化鋯加熱到2370 ℃時轉變為立方氧化鋯[2]。氧化鋯的增韌性能是通過四方相向單斜相轉變實現的，在冷卻的過程中，四方氧化鋯在1000 ℃轉變為單斜氧化鋯，同時伴隨有5-7 %的體積膨脹, 屬于馬氏體相變增韌[3]。氧化鋯化學性質穩定，除硫酸(H2SO4)和氫氟酸(HF)外，耐其它酸堿的腐蝕；氧化釔(Y2O3)穩定的氧化鋯熔點高達2700 ℃，適宜作陶瓷涂層和高溫耐火材料；氧化鋯的熱導率只有1W/(m·K)，在常見的陶瓷材料中最低，適宜作隔熱材料；氧化鋯屬于p型半導體過渡金屬氧化物，受熱產生氧的原子空穴對，適宜作催化劑材料[2-4]。此外，氧化鋯還具有硬度高、耐磨損、可塑性好等突出的機械性能，使得氧化鋯的應用非常廣泛。

1.1陶瓷增韌和陶瓷釉料中的應用

陶瓷材料本身脆性大，對內部缺陷敏感，裂紋產生后會迅速擴展，導致陶瓷材料發生突然斷裂[3]。陶瓷的脆性成為陶瓷制品推廣應用的瓶頸問題，陶瓷增韌一直是材料科學家努力攻克的難題。氧化鋯會發生四方相和單斜相轉變，稱為氧化鋯的馬氏體相變，使得氧化鋯陶瓷具有增韌效果，被廣泛用于增韌其它陶瓷材料，增韌原理有應力誘發相變增韌，微裂紋增韌和表面強化增韌等[5]。鐘金豹等用納米氧化鋯增韌氧化鋁基陶瓷刀具，提高商業氧化鋁基陶瓷刀具切削性能和耐磨損性能[6]。譚業發等人用氧化鋯增韌莫來石制備復相陶瓷，提高陶瓷材料在高溫摩擦構件中的應用性能[7]。氧化鋯是鋯英石的主要成分，鋯英石是高級陶瓷釉料[8]，同時氧化鋯可提高陶瓷釉料高溫粘度和釉料抗龜裂性能[2]。

1.2生物功能材料中的應用

氧化鋯用于制作人工關節、骨修復和牙齒等生物功能材料，特別是制作的烤瓷牙具與金屬牙具相比，有透光性好、穩定性高和生物相容性好等優點[2]。李剛等人通過長期的醫療實踐發現，氧化鋯牙具色澤與正常牙齒相近，耐高溫、耐腐蝕，對牙齦無刺激、無過敏反應，能誘導新骨形成、促進髓底骨質破壞區愈合[9]。朱迎蘭等人用納米氧化鋯制備與人松質骨相似的三維聯通多孔支架作為細胞載體，骨髓間充質干細胞的附著和生長情況良好，為氧化鋯用作人工骨提供實踐支撐[10]。

1.3陶瓷刀具中的應用

氧化鋯陶瓷刀具首先由日本研制成功并投向市場，由于獨特的玉石般豐潤亮澤，稱為“貴族刀”，受到人們青睞和追捧[11]。李小燕等人用注凝成型法制備氧化鋯陶瓷刀，制備的刀具胚體強度比干壓成型的坯體高，燒結后的陶瓷刀具抗彎強度也高于干壓成型刀具[11]。張朋等人以氧化鋯為主要原料，以二硼化鈦(TiB2)和氧化鋁(Al2O3)為復相添加劑，采用真空熱壓燒結工藝制備氧化鋯-二硼化鈦-氧化鋁陶瓷刀具，具有良好的韌性，可在數控設備上使用，滿足高速加工需要[12]。

1.4催化劑和氧傳感器中的應用

氧化鋯具有良好的環境穩定性，還具有表面酸性、堿性和氧化性、還原性，且表面富含羥基；既可作催化劑的優良載體，本身也可用作催化劑[4]。童吉灶等人以硝酸鋯、聚乙烯吡硌烷酮和聚乙二醇為原料，利用沉淀法合成納米氧化鋯催化劑，加入乙二胺為表面修飾劑能明顯提高催化劑對甲基橙的吸附和光催化降解效果[13]。

（一）正確認識情感態度價值觀目標。情感態度與價值觀，是人對親身經歷過事實的體驗性認識及其由此產生的態度行為習慣。它對人一生的成長都有著舉足輕重的作用。英語教師在制定英語課目標時，還應意識到英語本質上是一種語言，而不同于一般知識，英語學習的目標首先要關注語言的交流功能，即作為人們交流思想感情的工具，所以英語學習首先要包含情感態度方面的目標和社會文化方面的知識。

傳感器的作用是測定發動機燃燒后排氣中的氧氣含量，并把氧氣含量轉換成電壓信號傳遞到計算機，以控制空氣和燃氣比例，確保燃料充分燃燒，并減少碳氫化合物、一氧化碳和氮氧化合物等污染物排放[14]。氧化鋯氧傳感器尺寸小，價格低，可靠性高，已得到廣泛應用。陳新喜等人通過實驗研究發現，基于氧化鋯的氧傳感器，可在高溫、高濕和高氧壓條件下工作，并保持高的精度[15]。

1.5人工寶石中的應用

立方氧化鋯折射率為2．15-2．23，色散為0．06；與天然鉆石折射率2．42，色散0．044非常接近，因而被用作鉆石的替代材料[16]。法國和前蘇聯的科學家先后用高頻感應加熱冷坩堝凝固制造立方氧化鋯晶體，被稱為凝殼法；1976年起，該方法生產的立方氧化鋯晶體，被用作鉆石的替代品推向市場，使得寶石飾品進入千家萬戶[17]。謝意紅研究市場中彩色立方氧化鋯寶石的成分，發現釹(Nd)、鉺(Er)、鈰(Ce)和鐵(Fe)分別是淺紫色、粉紅色、紅色和酒黃色立方氧化鋯的致色因素，為彩色立方氧化鋯寶石的合成提供參考[18]。

2　梧州市氧化鋯發展的基礎

1982年港商崔福明先生在梧州建立第一家人工寶石加工廠，即崔氏寶石有限公司，進行寶石的來料加工；憑借當時廉價的勞動力和水電成本以及直通粵港澳的水路交通優勢，梧州寶石產業得以蓬勃發展；到二十世紀90年代，臺商、港商，以及泰國、韓國、墨西哥、俄羅斯、印度、美國和意大利等國的珠寶商紛紛到梧州投資，梧州迅速發展成為東南亞最大的人工寶石加工基地[19]。現在全世界70-80%的人工寶石都產自梧州，梧州因此享有世界人工寶石之都的美譽，生產的人工寶石主要銷往泰國、美國、中東、印度和斯里蘭卡等國家。梧州建有建筑面積近4萬平方米的寶石城和建筑面積10萬平方米的寶石大廈，形成集人工寶石原料生產、加工研磨、銷售集散和人才培訓于一體的產學研中心。為推動寶石產業發展，培育寶石市場，營造寶石文化，梧州于2004年11月舉辦第一屆梧州國際寶石節，現已連續舉辦11屆，成為提升梧州國際知名度和對外開放合作的重要窗口。

梧州人工寶石年產量近4000噸，約130億粒，能夠生產各種形狀的鋯石、剛玉、玻璃和尖晶等品種，不過95%以上是立方氧化鋯寶石。立方氧化鋯在自然界至今沒有找到天然礦石，梧州用冷坩堝熔殼法制備人工寶石，工藝成熟，從業人員廣，社會知名度高。梧州具有發展氧化鋯產業的內部社會基礎和外部社會影響力。

3　基于氧化鋯制備工業陶瓷的建議

3.1建設氧化鋯產業園

3.2發展氧化鋯釉料，烤瓷牙和刀具

氧化鋯在很多領域都有應用，結合梧州產業實際，重點發展氧化鋯釉料，氧化鋯烤瓷牙和氧化鋯刀具。梧州依托高嶺土資源發展建筑陶瓷，但生產仿古磚和全拋磚等產品的釉料還要從廣東佛山等地購買；梧州要積極發展氧化鋯陶瓷釉料，完善陶瓷制品產業鏈。生物醫藥產業是梧州傳統優勢產業，有中恒集團等龍頭醫藥企業帶動，有工人醫院、人民醫院和紅十字會醫院三家三級醫院，具有發展生物醫藥產業的良好基礎。在氧化鋯的生物功能材料應用上，烤瓷牙是最成熟和深受大眾接受的產品，梧州要抓住契機，積極發展氧化鋯烤瓷牙。氧化鋯陶瓷刀具耐腐蝕，抗氧化，光澤獨特且環保健康，梧州也要積極承接制備氧化鋯陶瓷刀具的企業。

氧化鋯有三種晶型，在制備氧化鋯陶瓷產品的過程中，由于晶型轉變，發生體積變化，經常造成產品開裂，因而需要添加晶型穩定劑。氧化釔(Y2O3)是最常用的氧化鋯晶型穩定劑，在制備氧化鋯烤瓷牙和陶瓷刀具時，都需要添加5%左右的氧化釔。梧州含有大量的稀土資源，梧州的稀土成分主要是氧化釔和氧化銪。發展氧化鋯烤瓷牙和刀具，需要利用氧化釔資源，可以實現氧化鋯產業和稀土產業協同集聚發展，提升梧州工業發展水平。

3.3用好梧州國際寶石節品牌

國際寶石節是梧州的重要品牌和對外宣傳符號，每年舉辦一次，成為梧州簽約洽談項目，向外推介產品的重要平臺。積極邀請氧化鋯烤瓷牙和刀具相關的龍頭企業參加國際寶石節，利用該平臺接洽項目，大力招商引資。在寶石節珠寶展覽會上，設立氧化鋯寶石延伸產品展區，展覽氧化鋯陶瓷釉料、氧化鋯烤瓷牙和氧化鋯陶瓷刀具等產品，宣傳梧州基于氧化鋯的陶瓷制品，打開銷路，建立銷售渠道。

4　結束語

梧州是立方氧化鋯人工寶石的主要產區，具有發展氧化鋯制品的技術條件、群眾基礎和社會影響力。梧州要圍繞氧化鋯大力發展工業陶瓷，提升陶瓷產業附加值。重點發展氧化鋯釉料、氧化鋯烤瓷牙和氧化鋯刀具，利用好梧州國際寶石節平臺，宣傳推廣基于氧化鋯制備的工業陶瓷產品，助推梧州陶瓷產業跨越發展和轉型升級。

感謝梧州市高層次人才產業發展研究小組對本課題(梧州市陶瓷產業轉型升級研究)的資助。

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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。

通信聯系人：陳紹霖，男，碩士生。

Correspondent author:CHEN Shaolin, male, Master.

E-mail:cuitongxiang_2013@tsinghua.org.cn