學(xué)校名稱

長(zhǎng)沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

王哲

201439110307

無機(jī)非金屬材料

女

2014年

謝呵瀚

201439110220

無機(jī)非金屬材料

男

2014年

張冬花

201639160401

無機(jī)非金屬材料

女

2016年

歐陽九福

201539110130

無機(jī)非金屬材料

男

2015年

歐陽潔

201539110105

無機(jī)非金屬材料

女

2015年

指導(dǎo)教師

徐協(xié)文

職稱

副教授

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

材料科學(xué)與工程

項(xiàng)目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

（1）參與了指導(dǎo)老師的國(guó)家基金項(xiàng)目“結(jié)構(gòu)陶瓷注射成型的水萃取脫脂粘結(jié)劑體系設(shè)計(jì)及缺陷遺傳變異規(guī)律研究”。

（2）參與了指導(dǎo)老師成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目“氮化硅陶瓷先進(jìn)成型技術(shù)”。

（3）小組成員在實(shí)驗(yàn)室做過關(guān)于藍(lán)色氧化鋯陶瓷的項(xiàng)目。

（4）小組成員能夠熟練地使用壓模機(jī)、球磨機(jī)、馬弗爐等儀器，并且掌握了基本的陶瓷工藝的制備方法。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

[1]參與國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“結(jié)構(gòu)陶瓷注射成型的水萃取脫脂粘結(jié)劑體系設(shè)計(jì)及缺陷遺傳變異規(guī)律研究”；排名第二。

[2]參與完成國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“基于表面工程的防靜電陶瓷材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其靜電耗散機(jī)理研究”；排名第二。

[3]在研“氮化硅陶瓷先進(jìn)成型技術(shù)”、“氮化硅陶瓷精密制造技術(shù)”“高性能結(jié)構(gòu)陶瓷精密制造技術(shù)”等成果轉(zhuǎn)化和技術(shù)合作項(xiàng)目3項(xiàng)。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

1.項(xiàng)目研究：

近年來，氧化鋯陶瓷因?yàn)?/span>具有強(qiáng)度高、硬度高、韌性好、耐腐蝕等優(yōu)良的性能，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如：小米5，OPPO,R9等手機(jī)，就應(yīng)用了氧化鋯陶瓷材料制作指紋識(shí)別蓋板。據(jù)互聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)調(diào)研中心調(diào)查結(jié)果顯示全球智能手機(jī)市場(chǎng)銷量已經(jīng)在2014年接近13億臺(tái)。不僅如此，勞力士，雷達(dá)等名牌手表在制作表圈時(shí)也應(yīng)用了氧化鋯材料。這充分說明了氧化鋯陶瓷已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們必然會(huì)對(duì)手機(jī)的個(gè)性化以及性能產(chǎn)生更大的要求，這就迫使生產(chǎn)商應(yīng)用性能更為優(yōu)越的材料來制作產(chǎn)品，而相比其他材料，氧化鋯陶瓷雖然起步晚，但是發(fā)展快，更是具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)，所以在未來的研究中氧化鋯陶瓷將會(huì)占主導(dǎo)地位，具有巨大的研究前景。

就目前而言，國(guó)際上制備藍(lán)色，黃色等顏色的氧化鋯陶瓷都有相對(duì)成熟的工藝，例如藍(lán)色，我國(guó)是用氧化鈷和氧化鋁形成鈷鋁結(jié)晶石，而鈷鋁結(jié)晶石顯藍(lán)色的方法制備藍(lán)色氧化鋯陶瓷的。又如黃色，以鐠鋯黃色料為著色劑，添加少量燒結(jié)助劑，發(fā)色離子與燒結(jié)助劑形成固溶體，高溫下燒結(jié)，制備出穩(wěn)定的黃色氧化鋯陶瓷。但能在高溫下穩(wěn)定存在的紅色，特別是深紅色的氧化鋯陶瓷在國(guó)內(nèi)外幾乎空白。

眾所周知，普通彩色陶瓷的制備一般是將色料或著色劑加入到陶瓷坯體或釉料中，通過高溫?zé)?一般低于1300℃)而獲得。而氧化鋯陶瓷的燒結(jié)溫度較高，一般在1550~1650℃。在此溫度下，大多數(shù)的色料或著色劑會(huì)分解、揮發(fā)。因此，采用簡(jiǎn)單添加色料或著色劑的方法，難以制得呈色鮮艷的彩色氧化鋯陶瓷。所以采用一種新的技術(shù)制備出一種能在高溫下穩(wěn)定存在，且能調(diào)控色度的高性能氧化鋯陶瓷材料成為當(dāng)前亟待解決的主要問題。

2.研究目的

納米銅是紅色的，高溫下燒結(jié)與氧化鋯形成致密的結(jié)構(gòu)，能穩(wěn)定存在，利用這一原理，本項(xiàng)目旨在制造一種能在高溫下穩(wěn)定存在，能自由調(diào)控色度的且具有優(yōu)越的物理化學(xué)性能紅色氧化鋯陶瓷。

3.研究?jī)?nèi)容：

（1）納米銅的引入方式對(duì)顯色和機(jī)械性能的影響：研究不同的含銅氧化物或銅鹽對(duì)氧化鋯陶瓷顯微結(jié)構(gòu)以及顯色能力的影響。

（2）燒結(jié)工藝對(duì)顯色和機(jī)械性能的影響:研究燒結(jié)過程中氫氣濃度，燒結(jié)溫度及時(shí)間對(duì)陶瓷物理化學(xué)性能的影響。

（3）色調(diào)與色度的控制：色調(diào)即顏色的明暗程度，色度即顏色的深淺程度。研究引入不同量的納米銅時(shí)，色調(diào)與色度的變化情況。

4.解決的主要問題

（1）納米氧化銅在高溫下的還原與保存：難點(diǎn)在于在高溫下銅氧化合物或銅鹽中的銅沒有完全還原，可能以銅離子的形式進(jìn)入氧化鋯中，導(dǎo)致有雜色。

（2）納米銅的引入方式：引用不同形式的銅氧化物配方，可能導(dǎo)致燒成的結(jié)果不同

（3）顏色與性能平衡問題：在制備陶瓷過程中既需要使其顯色又需要保證其性能。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

早在1789年德國(guó)化學(xué)家克拉普羅特就從寶石中提煉出了氧化鋯，但直到20世紀(jì)20年代才應(yīng)用于耐火材料。此后相繼在燃?xì)獠牧?，著色及磨料中得到?yīng)用。

20 世紀(jì)70 年代中期以來，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼投入巨資研究氧化鋯陶瓷的生產(chǎn)技術(shù)。在1973年美國(guó)R.Zechnall，G.Baumarm，H.Fisele制得了氧化鋯電解質(zhì)傳感器，1980年氧化鋯在美國(guó)廣泛應(yīng)用于鋼鐵。而日本絕緣子公公司更是和美國(guó)一家發(fā)動(dòng)機(jī)公司合作，研究和開發(fā)了氧化鋯陶瓷。而且據(jù)調(diào)查。應(yīng)用了氧化鋯制作多孔氧傳感器是日本汽車一舉打入美國(guó)市場(chǎng)的重要原因。

1975年，澳大利亞RG.Garvie以氧化鈣為穩(wěn)定劑制得部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷，并首次利用氧化鋯馬氏體相變?cè)鲰g的效應(yīng)，提高了氧化鋯陶瓷的韌性和強(qiáng)度，極大的拓展了氧化鋯陶瓷在結(jié)構(gòu)陶瓷中的應(yīng)用。

氧化鋯陶瓷由于其良好的絕熱性是美國(guó)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的一部分。除美國(guó)外，日本，德國(guó)等其他一些技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家用韌性的氧化鋯陶瓷制作發(fā)動(dòng)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱葉片等。

彩色氧化鋯陶瓷由于其強(qiáng)度大，顏色比較鮮艷，耐磨損，不易氧化等優(yōu)點(diǎn)被用作餐刀，剪刀，手術(shù)刀等的主要原料，在歐美，韓國(guó)等深受歡迎。

除此之外，彩色氧化鋯陶瓷在國(guó)外一個(gè)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是生物陶瓷材料——氧化鋯烤瓷牙。氧化鋯材質(zhì)的烤瓷牙沒有金屬內(nèi)冠層，牙齒透明度好，光澤度好，避免了牙齒過敏和牙齦黑線等問題，具有足夠好的遮色能力，能夠很好的滿足患者的需求。

而我國(guó)是從90 年代開始進(jìn)行氧化鋯陶瓷的開發(fā)、生產(chǎn)和研究工作，進(jìn)入21 世紀(jì)后，我國(guó)的氧化鋯陶瓷研發(fā)取得世界矚目的進(jìn)展。

目前我國(guó)彩色氧化鋯陶瓷的發(fā)展不平衡，像藍(lán)色，黑色，白色等顏色的氧化鋯陶瓷制備工藝比較成熟，例如藍(lán)色，我國(guó)是用氧化鈷和氧化鋁形成鈷鋁結(jié)晶石，而鈷鋁結(jié)晶石顯藍(lán)色的方法制備藍(lán)色氧化鋯陶瓷的。又如黃色，以鐠鋯黃色料為著色劑，添加少量燒結(jié)助劑，發(fā)色離子與燒結(jié)助劑形成固溶體，高溫下燒結(jié)，制備出穩(wěn)定的黃色氧化鋯陶瓷，且已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。。小米公司在2016年2月推出的的使用氧化鋯陶瓷機(jī)身的小米五，其具有優(yōu)良的耐磨性，耐腐蝕性以及優(yōu)越的機(jī)身強(qiáng)度，在中國(guó)市場(chǎng)上持續(xù)火爆，而且目前藍(lán)思科技也投入了大量的研究經(jīng)費(fèi)用于研制高性能彩色氧化鋯作為其電子產(chǎn)品的機(jī)身。

但是紅色特別是中國(guó)紅氧化鋯陶瓷的研究仍然留有很大的空白。目前國(guó)內(nèi)都是在陶瓷材料中加入顏料或色料如硫化鎘和硫硒化鎘來制備紅色氧化鋯陶瓷，但是由這種方式形成的紅色在高溫下極其不穩(wěn)定，且顯色多為淺色。以目前的生產(chǎn)工藝不足以制造出更深一點(diǎn)的紅色氧化鋯陶瓷。

目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷（3Y-ZDP），其擁有高韌性，高抗彎強(qiáng)度和高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，熱膨脹系數(shù)接近于鋼，因此被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。

以氧化釔穩(wěn)定四方多晶氧化鋯粉為原料，硝酸錳/硝酸鋁為著色劑，聚乙二醇為分散劑，采用非均沉淀法通過調(diào)節(jié)氧化鋯懸浮液的pH值使錳鋁的氫氧化物沉淀至氧化鋯基體表面，形成具有核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合粉體，經(jīng)冷等靜壓成型后在1450℃保溫2h燒結(jié)得到結(jié)構(gòu)致密，氣孔較少，晶粒細(xì)小，尖晶石相均勻分散在氧化鋯基體中的黑色氧化鋯陶瓷。

以添加了Y₂0₃的穩(wěn)定Zr0₂為主要原料，以A1₂0₃，Si0₂等為增韌劑．以NH₄V0₃，V₂0₅，CO(N0₃)₂，CO₂0₃等為著色劑，球磨混合后采用干壓成型法成型，二次燒結(jié)法制成陶瓷。通過陶瓷的性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)分析，優(yōu)選出黃、藍(lán)色系鈉米A1₂0₃增韌Zr0₂陶瓷機(jī)制的配方和工藝條件。

就目前而言，國(guó)內(nèi)制備彩色氧化鋯陶瓷的方法中比較先進(jìn)的是非均勻沉淀法。非均勻沉淀法是在分散好的氧化鋯基體懸浮液中，通過調(diào)節(jié)pH值使沉淀反應(yīng)在基體表面進(jìn)行，從而形成具有核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合粉體，是制備包裹粉體的一種有效方法，這種方法可實(shí)現(xiàn)著色離子對(duì)氧化鋯顆粒的均勻包覆和混合；與機(jī)械混合法相比，能有效克服顆粒間的團(tuán)聚，縮短燒結(jié)過程中著色離子反應(yīng)的傳質(zhì)距離并有效減少揮發(fā)，因而該法更易于制備出成色均勻穩(wěn)定的彩色氧化鋯陶瓷。但生產(chǎn)出來的粉末顆粒形狀不規(guī)則，大小不均勻，雜質(zhì)含量高。這是我國(guó)生產(chǎn)的氧化鋯粉體不能廣泛應(yīng)用的最大障礙。

在技術(shù)含量較高的氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷方面，我國(guó)歷史發(fā)展較短，產(chǎn)品技術(shù)及質(zhì)量整體水平較低，在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不強(qiáng)，就是因?yàn)榉哿系男阅懿环€(wěn)定，不能生產(chǎn)出性能優(yōu)良的氧化鋯陶瓷。比較我國(guó)氧化鋯陶瓷與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家氧化鋯陶瓷的發(fā)展發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的氧化鋯陶瓷落后太多。而隨著人們生活水平的提高和生活進(jìn)程的加速，人們對(duì)鋯制品的要求越來越高。并且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)于氧化鋯的認(rèn)識(shí)必將更進(jìn)一步深入，氧化鋯定會(huì)以新的面貌出現(xiàn)，性能越來越高端，顏色越來越鮮艷，越穩(wěn)定必然是一種趨勢(shì)。所以生產(chǎn)出一種性能優(yōu)良，顏色穩(wěn)定的紅色氧化鋯陶瓷對(duì)我國(guó)立足于國(guó)際陶瓷的市場(chǎng)顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)

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本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)

參與了指導(dǎo)老師的國(guó)家基金項(xiàng)目“結(jié)構(gòu)陶瓷注射成型的水萃取脫脂粘結(jié)劑體系設(shè)計(jì)及缺陷遺傳變異規(guī)律研究”以及成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目“氮化硅陶瓷先進(jìn)成型技術(shù)”，掌握了氧化鋯陶瓷制備中的粉體研磨，胚體成型，陶瓷燒結(jié)等工藝，成功制備了藍(lán)色氧化鋯陶瓷，密度達(dá)到5.9g/cm³ 。如圖1圖二

圖1                              圖2

在做藍(lán)色氧化鋯陶瓷的試驗(yàn)中，對(duì)氧化鋯陶瓷的制備工藝，顏色的表征方法，力學(xué)性能的測(cè)試以及配方的確定等都有了一定的程度的了解。

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

本實(shí)驗(yàn)采用納米銅顯色的原理將銅氧化物或者銅鹽加入到氧化鋯中，然后在還原氣氛下共同燒結(jié)，銅氧化物或者銅鹽被還原成納米銅，顯紅色的納米銅被致密的氧化鋯包裹，制作出顏色存在穩(wěn)定且色度可調(diào)的高性能紅色氧化鋯陶瓷。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

技術(shù)路線

預(yù)期成果

（1）得到紅色氧化鋯陶瓷的配方體系，色度可調(diào)且顏色穩(wěn)定。密度達(dá)到5.9g/cm^3,強(qiáng)度達(dá)到950MPa

（2）申請(qǐng)發(fā)明專利一項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇。

（3）研究總結(jié)報(bào)告一份。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

（1）2016.11-2017.6：對(duì)陶瓷配方進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定制備紅色氧化鋯陶瓷合理方式并制出色度可調(diào)的高性能氧化鋯陶瓷。

（2）2017.7-2017.10：對(duì)陶瓷的力學(xué)性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

（3）2017.11-2018.1：撰寫論文并且申請(qǐng)專利。

（4）2018.2-2018.5：陶瓷制備工藝和條件的控制及優(yōu)化，并提交項(xiàng)目總結(jié)。

指導(dǎo)教師意見

王哲，謝呵瀚等同學(xué)結(jié)合所學(xué)的新材料制備知識(shí)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室在陶瓷新材料制備工藝方面的條件和特色，提出用納米銅顯色來制備高性能紅色氧化鋯陶瓷的實(shí)驗(yàn)方案。

在前期的實(shí)驗(yàn)工作中，課題小組同學(xué)體現(xiàn)出了扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)、很強(qiáng)的動(dòng)手能力和良好的團(tuán)隊(duì)作風(fēng)。

先進(jìn)陶瓷材料的精密制造工藝是本人的研究特色和優(yōu)勢(shì)，正在開展的成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目也與氮化硅陶瓷相關(guān)，能夠給本課題的實(shí)施和開展提供可靠及時(shí)的指導(dǎo)和支持。  

簽字：                   日期：