梧州市基于氧化鋯制備工業(yè)陶瓷的探討

崔同湘，陳紹霖

(梧州市發(fā)展和改革委員會，廣西 梧州 543000)

梧州市基于氧化鋯制備工業(yè)陶瓷的探討

崔同湘，陳紹霖

(梧州市發(fā)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(chǎn)業(yè)向西部轉移的契機，依托豐富的高嶺土資源，大力發(fā)展建筑陶瓷，目前已經(jīng)培育規(guī)模以上陶瓷企業(yè)14家。建筑陶瓷屬于高污染、高耗能、高排放產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟發(fā)展步入新常態(tài)下，提升陶瓷產(chǎn)業(yè)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(fā)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(chǎn)業(yè)的相關建議。

梧州；氧化鋯；陶瓷產(chǎn)業(yè)；轉型升級

0　引　言

傳統(tǒng)陶瓷是指以粘土、高嶺土等天然無機非金屬礦物為原料，經(jīng)過粉碎、成型、煅燒等工藝制成的各種制品。隨著經(jīng)濟社會的進步，陶瓷產(chǎn)品的種類不斷增多，工業(yè)陶瓷憑借優(yōu)異的性能和廣泛的應用前景，得到蓬勃發(fā)展。從廣義上講，工業(yè)陶瓷是指用陶瓷生產(chǎn)方法制備的無機非金屬固體材料和制品[1]。工業(yè)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(fā)展的高新性能材料[2,3]。

1　氧化鋯陶瓷的性質(zhì)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(jù)面心立方點陣的所有四面體間隙。氧化鋯穩(wěn)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?yōu)樗姆窖趸啠殡S有7-9 %的體積收縮；四方氧化鋯加熱到2370 ℃時轉變?yōu)榱⒎窖趸哰2]。氧化鋯的增韌性能是通過四方相向單斜相轉變實現(xiàn)的，在冷卻的過程中，四方氧化鋯在1000 ℃轉變?yōu)閱涡毖趸啠瑫r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(zhì)穩(wěn)定，除硫酸(H2SO4)和氫氟酸(HF)外，耐其它酸堿的腐蝕；氧化釔(Y2O3)穩(wěn)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(chǎn)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(nèi)部缺陷敏感，裂紋產(chǎn)生后會迅速擴展，導致陶瓷材料發(fā)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(fā)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(fā)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(yè)氧化鋁基陶瓷刀具切削性能和耐磨損性能[6]。譚業(yè)發(fā)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(jié)、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(wěn)定性高和生物相容性好等優(yōu)點[2]。李剛等人通過長期的醫(yī)療實踐發(fā)現(xiàn)，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(zhì)破壞區(qū)愈合[9]。朱迎蘭等人用納米氧化鋯制備與人松質(zhì)骨相似的三維聯(lián)通多孔支架作為細胞載體，骨髓間充質(zhì)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(shù)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(huán)境穩(wěn)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(yōu)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(tài)度價值觀目標。情感態(tài)度與價值觀，是人對親身經(jīng)歷過事實的體驗性認識及其由此產(chǎn)生的態(tài)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(zhì)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(tài)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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(lián)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(yōu)勢，梧州寶石產(chǎn)業(yè)得以蓬勃發(fā)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(fā)展成為東南亞最大的人工寶石加工基地[19]。現(xiàn)在全世界70-80%的人工寶石都產(chǎn)自梧州，梧州因此享有世界人工寶石之都的美譽，生產(chǎn)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(chǎn)、加工研磨、銷售集散和人才培訓于一體的產(chǎn)學研中心。為推動寶石產(chǎn)業(yè)發(fā)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(jié)，現(xiàn)已連續(xù)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(chǎn)量近4000噸，約130億粒，能夠生產(chǎn)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(yè)人員廣，社會知名度高。梧州具有發(fā)展氧化鋯產(chǎn)業(yè)的內(nèi)部社會基礎和外部社會影響力。

3　基于氧化鋯制備工業(yè)陶瓷的建議

3.1建設氧化鋯產(chǎn)業(yè)園

3.2發(fā)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(chǎn)業(yè)實際，重點發(fā)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(fā)展建筑陶瓷，但生產(chǎn)仿古磚和全拋磚等產(chǎn)品的釉料還要從廣東佛山等地購買；梧州要積極發(fā)展氧化鋯陶瓷釉料，完善陶瓷制品產(chǎn)業(yè)鏈。生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)是梧州傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，有中恒集團等龍頭醫(yī)藥企業(yè)帶動，有工人醫(yī)院、人民醫(yī)院和紅十字會醫(yī)院三家三級醫(yī)院，具有發(fā)展生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)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(chǎn)品，梧州要抓住契機，積極發(fā)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(huán)保健康，梧州也要積極承接制備氧化鋯陶瓷刀具的企業(yè)。

氧化鋯有三種晶型，在制備氧化鋯陶瓷產(chǎn)品的過程中，由于晶型轉變，發(fā)生體積變化，經(jīng)常造成產(chǎn)品開裂，因而需要添加晶型穩(wěn)定劑。氧化釔(Y2O3)是最常用的氧化鋯晶型穩(wěn)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(fā)展氧化鋯烤瓷牙和刀具，需要利用氧化釔資源，可以實現(xiàn)氧化鋯產(chǎn)業(yè)和稀土產(chǎn)業(yè)協(xié)同集聚發(fā)展，提升梧州工業(yè)發(fā)展水平。

3.3用好梧州國際寶石節(jié)品牌

國際寶石節(jié)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(chǎn)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(yè)參加國際寶石節(jié)，利用該平臺接洽項目，大力招商引資。在寶石節(jié)珠寶展覽會上，設立氧化鋯寶石延伸產(chǎn)品展區(qū)，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(chǎn)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(chǎn)區(qū)，具有發(fā)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(fā)展工業(yè)陶瓷，提升陶瓷產(chǎn)業(yè)附加值。重點發(fā)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(jié)平臺，宣傳推廣基于氧化鋯制備的工業(yè)陶瓷產(chǎn)品，助推梧州陶瓷產(chǎn)業(yè)跨越發(fā)展和轉型升級。

感謝梧州市高層次人才產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究小組對本課題(梧州市陶瓷產(chǎn)業(yè)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(lián)系人：陳紹霖，男，碩士生。

Correspondent author:CHEN Shaolin, male, Master.

E-mail:cuitongxiang_2013@tsinghua.org.cn