二氧化锆是什么？为何应用广泛？

二氧化锆（Zirconia，化学式 ZrO₂）是一种由锆和氧组成的无机非金属材料，它是一种白色、无臭、无味的固体，在常温下非常稳定，但经过特殊工艺处理后，可以展现出极其优异的性能，因此被誉为“陶瓷钢”。

下面我们从几个方面来深入了解它：

核心特性（为什么它如此特别？）

二氧化锆的卓越性能主要体现在以下几个方面：

1. 极高的硬度与耐磨性：它的硬度仅次于金刚石，远高于传统陶瓷和大多数金属，这使得它非常耐刮擦和磨损。
2. 突出的韧性：这是二氧化锆最“神奇”的特性，它可以通过“相变增韧”的机制来吸收能量，抵抗裂纹的扩展，简单说，就是它不像普通陶瓷那样一摔就碎，而是具有一定的抗冲击能力。
3. 低导热系数：它的导热性很差，类似于玻璃，是优良的隔热材料。
4. 化学惰性：在常温下，它几乎不与任何酸、碱反应，化学性质非常稳定，耐腐蚀性极强。
5. 高熔点：熔点高达约 2715°C，是一种非常好的耐火材料。
6. 美观性：纯二氧化锆是白色的，但通过添加不同的稳定剂，可以制成从白色、黑色到各种彩色的材料，且表面抛光后可以达到类似钻石的光泽。

主要类型（稳定化处理）

纯净的二氧化锆在高温下会发生晶型转变,导致体积变化，容易开裂，为了克服这个缺点，人们会添加少量稳定剂（如氧化钇 Y₂O₃、氧化镁 MgO、氧化钙 CaO），使其在室温下保持稳定的晶体结构，从而获得优异的力学性能，常见的类型有：

• 部分稳定氧化锆：这是最常见的一种，通过添加少量稳定剂，在材料中同时保留稳定的立方相和四方相，利用相变增韧机制，兼具韧性和强度，广泛应用于工业陶瓷。
• 全稳定氧化锆：添加了足量的稳定剂，使材料全部为稳定的立方相，它的韧性和强度较低，但离子导电性非常好，主要用于氧传感器和燃料电池的电解质。
• 四方多晶氧化锆：通过特殊的工艺（如热压烧结）获得，几乎不含单斜相，具有最高的强度和韧性，是高端应用的首选。

主要应用领域

由于其独特的性能,二氧化锆的应用非常广泛，横跨多个行业：

1. 牙科领域：这是二氧化锆最广为人知的应用之一。

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 牙冠、牙桥：因其强度高、美观、生物相容性好（不会引起过敏），已成为全瓷牙的首选材料。
   • 种植体基台：连接种植体和上方假牙的部分，需要极高的强度和稳定性。

2. 工业领域：

   • 耐磨零件：如轴承、密封件、喷嘴、刀具等，利用其高硬度和耐磨性。
   • 耐火材料：用于制作高温炉的内衬、坩埚等。
   • 氧传感器：利用其高温下对氧离子有良好导电性的特性，广泛应用于汽车尾气监测和工业过程控制。
   • 研磨介质：用于高级研磨和抛光。

3. 珠宝领域：

   • 立方氧化锆：这是一种人工合成的材料，它通过添加钇稳定剂，在高温高压下形成稳定的立方晶体结构，因其高硬度、高折射率和低成本，常被用作钻石的最佳仿制品，外观非常接近钻石。

4. 其他领域：

   • 电子产品：用作绝缘体和介电材料。
   • 医疗植入物：如人造关节头，因其优良的生物相容性和耐磨性。
   • 催化剂载体：由于其化学稳定性和多孔结构。

安全性与环境影响

• 安全性：在固态下，二氧化锆是极其稳定的化学物质，无毒、无刺激性，我们日常接触的牙科用二氧化锆和珠宝都是经过严格处理的，非常安全。
• 环境影响：二氧化锆本身对环境无害，但其生产过程需要消耗大量能源，并且原材料锆英砂的开采和加工可能会对环境造成一定影响，生产过程中的废料回收和节能减排是行业关注的重点。

二氧化锆是一种集高硬度、高强度、高韧性、耐高温、耐腐蚀等多种优点于一身的先进陶瓷材料，从你口中坚固美观的“烤瓷牙”，到珠宝店里闪耀的“钻石替代品”，再到工业中精密耐磨的零件，二氧化锆正以“陶瓷钢”的身份，在各个领域发挥着不可替代的作用。