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黑色氧化锆陶瓷
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来自着色剂的魔法


要使陶瓷显示出彩色,往往需要往里面加入含过渡金属或者稀土金属的氧化物或其他化合物。经研究,硅酸锆基陶瓷颜料因耐高温性、高化学稳定性及呈色范围宽等优点而最具实用价值。


ZrO2-SiO2-过渡金属氧化物系


许多过渡金属的氧化物或氟化物进入ZrO2-SiO2晶格时,能形成呈色结构物。过渡金属氧化物或氟化物在其中起呈色成分的作用。这些过渡金属元素是铁、铬、锰、钻、镍、铜、钒、钼、银、金等。


ZrO2-SiO2-过渡金属氧化物系颜料

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ZrO2-SiO2-稀土金属氧化物系


随稀土金属及其化合物在核技术、陶瓷、光学方面及制造催化剂,颜料方面应用的增多,稀土金属将日益显示其重要性。在无色或有色的主晶格中加入少量的稀土金属氧化物,可制得有高耐热性、化学稳定性、高遮盖力的颜料。


ZrO2-SiO2-稀土金属氧化物系颜料

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ZrO2-SiO2-色剂系


这类颜料在结构上既不是固溶型,也不属嵌入型,而是一种耐高温的异晶包裹型。其典型的代表是高温硒镉系列颜料。


根据以上锆系颜料,利用颜料的三原色,可选用三氧化二铬、氧化锌、氢氧化铝、氧化铝硼酸等作为红色系列着色剂,偏钒酸铵、五氧化二钒、二氧化钛、重铬酸钾等作为黄色系列着色剂,重铬酸钾、萤石(氟化钙)、碳酸钙、石英等作为绿色系列着色剂,氧化钴、氢氧化铝、氧化锌、氧化硅等作为蓝色系列周色剂。而黑色氧化锆陶瓷常用着色剂为氧化铁、氧化钴、氧化铬、氧化锰等


黑色氧化锆陶瓷的合成


固相混合法


原理:采用混合球磨技术制备彩色氧化锆粉末。它将着色剂、矿化剂等氧化物颗粒按照一定化学配比,与稳定氧化锆纳米粉体进行混合、球磨,固体颗粒晶粒在此过程中被细化,发生了利于实现低温化学反应的微裂纹、晶格扭曲、表面能升高等现象。


Sumitomo Electric公司已成功利用此方法制备出黑色氧化锆陶瓷,它是利用釔稳定氧化锆粉末和黑色着色相粉末一起球磨得到的粉末,经成型烧结后制得。Rnaud等直接添加CoFe2O4得到了黑色,避免了重金属Cr的使用。


化学共沉淀法


原理:化学共沉淀法是利用锆盐、稳定剂盐和着色离子盐溶液混合后,通过与碱或者碳酸盐等的反应,共同生成氢氧化物或者碳酸盐沉淀,然后加热分解而获得氧化锆复合粉体。


Tosoh公司在2006年研制成功含有2wt.%-6wt.%着色剂的黑色氧化锆陶瓷,着色剂为尖晶石结构的(Co1-xZnx)(Fe1-yAly)2O4(0≤x≤0.5,0≤y≤0.5),Co、Zn、Fe、Al着色氧化锆采用共沉淀的方法获得。


千粉玲以Y-TZP为原料、Mn(NO3)2和Al(NO3)3为着色剂,采用化学沉淀法制备黑色氧化锆复合粉体,经成型、烧结后得到黑色氧化锆陶瓷。


液相浸渗法


原理:液相浸渗法是制备复合材料、梯度材料的先进工艺,可以很好的实现高均匀度掺杂、在保持材料原性能的前提下,赋予其表面新的性能。


赵露等采用液相前驱体浸渗法掺杂技术,在ZrO2坯体引入有色离子,通过扩散溶入基体,制备了颜色纯正、掺杂均匀的黑、蓝、粉、绿色氧化锆陶瓷。


相较以上方法,固相混合法工艺简单、成本低廉、操作方便、易工业化,但无法克服纳米颗粒团聚,且着色相和基体纳米颗粒混合不均匀,且球磨时间长,球磨介质或大气对粉体有可能造成严重的污染;化学共沉淀法工艺比较复杂,但获得的粉末纯度高、性能优良;液相浸渗法在工艺上更加简便,且制备出的彩色氧化锆陶瓷在颜色均一性和物理性能上都具有明显的优势,是一种较为新型的掺杂技术。


综上,对于制备出性能良好、颜色多样的氧化锆陶瓷,克服团聚现象,使着色相在陶瓷基体材料中均匀分散等方面的研究一直是彩色氧化锆陶瓷研究的重点。近年来,国内对于黑色氧化锆陶瓷的研究也取得一定进步。如武汉理工大学本发明了一种有色氧化锆陶瓷及其制备方法,不同于常规制备方法,本发明中将陶瓷粉料依次进行干压成型、冷等静压成型后依次进行真空烧结、打磨抛光即可获得一种有色氧化锆陶瓷。本发明中在无需添加着色剂的情况下经真空烧结即可获得一种银灰色或黑色氧化锆陶瓷,上述陶瓷致密度高且着色均匀、美观。


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而作为国内规模比较大的现代化精密陶瓷企业——深圳市康柏工业陶瓷有限公司在追求现有产品完美的基础上不断进行新品的研发,研发金额达到了营业额的20%以上,并获得了40多项专利。公司研发和生产的黑色氧化锆陶瓷产品已广泛应用于电子元器件治具、化工机械行业配件、医疗行业配件、饰品和日用品等十多个行业领域。康柏工业陶瓷一直以务实、创新的精神引领行业,让大众、行业一次次重新认识先进陶瓷。


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