鋯石 與鉆石爭輝只是序曲

蘇更林

鋯石作為地球上最為古老的礦物之一，以其美妙的色彩和絢麗的閃光為人們所稱道。古人一直把鋯石當(dāng)作有故事的石頭，并因此演繹了許多美麗的神話傳說。經(jīng)過切割和拋光的鋯石在外觀上酷似鉆石（雖然在硬度上要比鉆石遜色不少），曾作為珠寶被人們傳承了多個世紀(jì)，而不知道沉睡其中的鋯的“真身”。

鋯這個令人陌生的金屬元素，因具有突出的核性能而成為原子能時代的關(guān)鍵材料。如今，鋯已經(jīng)在社會生活的多個領(lǐng)域大放異彩。讓我們一同走進(jìn)鋯的世界，去探秘它的非凡應(yīng)用和價值。

沉睡的寶藏，千呼萬喚始出來

鋯石（ZrSiO4）也被稱為鋯英石、風(fēng)信子石等，為硅酸鹽類礦物。常見的鋯石多為無色、紅褐色、黃色、綠色、紅色和藍(lán)色等，其中最為流行的顏色是藍(lán)色和無色。天然鋯石可以通過切割和拋光而變得光彩奪目，因此可用于珠寶或藝術(shù)收藏。

1789年是鋯元素發(fā)現(xiàn)史上的一個重要年份。德國化學(xué)家克拉普羅特對鋯石進(jìn)行了研究，并獲得了一種有別于已知氧化物的沉淀物?？死樟_特斷言沉淀物中存在一種未知的化學(xué)元素，并將這種沉淀物命名為Zirkonerde（鋯土）。后來，人們據(jù)此將這種未知元素的拉丁名稱定為Zirconium（鋯）。

克拉普羅特的工作澄清了人們對于鋯石的誤解，因?yàn)殇喪c鉆石在化學(xué)組成上是迥然不同的。不過，克拉普羅特獲得的沉淀物其實(shí)是鋯的氧化物，并沒有分離出鋯的單質(zhì)。這是因?yàn)殇喸谧匀唤缡且曰衔锏男问酱嬖诘?，提取十分困難。

1808年，英國化學(xué)家戴維試圖利用電解法分離出鋯元素，但沒有取得成功。1824年，瑞典化學(xué)家貝采里烏斯首次制取出了鋯金屬，但是純度并不高。此后，有許多科學(xué)家對鋯的化合物進(jìn)行了研究，但都沒有獲得具有可鍛性能的鋯金屬，因此影響了鋯的應(yīng)用研究。

進(jìn)入20世紀(jì)之后，對于鋯的研究進(jìn)入了快車道。1910年，荷蘭工程師萊里和漢姆貝格制得了少量具有金屬性能的鋯。1925年，荷蘭化學(xué)家利用四碘化鋯的熱分解首次生產(chǎn)出了高純度的韌性金屬鋯。1940年，盧森堡的研究人員開發(fā)了一種基于四氯化鋯還原法的金屬鋯制造技術(shù)。該方法因?yàn)榻档土虽喌纳a(chǎn)成本，從而為鋯的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

對中子“透明”，原子能時代的No.1

鋯是一種灰白色的有光澤的金屬，密度為6.5克每立方厘米，熔點(diǎn)為1852℃，具有很高的硬度和強(qiáng)度以及驚人的抗腐蝕性能，并被譽(yù)為“原子能時代的第一號金屬”。

鋯之所以能搭上原子能時代的“班車”，主要得益于其擁有一個非常重要的物理性質(zhì)，那就是對中子“透明”。所謂對中子“透明”，就是允許中子穿過，自身不會吸收或者僅吸收極少量的中子。

核電站通過鈾燃料的裂變反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱能，高壓水把產(chǎn)生的熱能帶走，并通過產(chǎn)生蒸汽來推動汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。鈾燃料在核反應(yīng)堆內(nèi)是裝在包殼管之內(nèi)的，制造這個包殼管的材料必須滿足一些苛刻的要求。比如，要求這種材料對中子“透明”。如果選擇的金屬材料對中子不“透明”，那就意味著能夠吸收中子。這樣一來，鈾燃料裂變時產(chǎn)生的中子在穿越包殼管時就會被捕獲，不能再用于裂變反應(yīng)了。同時，由于包殼管外表面與高溫高壓水相接觸，因此對金屬材料的抗腐蝕性能也有嚴(yán)格的要求。

在反應(yīng)堆中，用鋯合金制成的包殼管，厚度僅0.57～0.64毫米，長度4米，管里裝有二氧化鈾芯體。一座1000 兆瓦級的核電站需要177個核燃料組件，每個核燃料組件需要17×17個鋯合金管。

事實(shí)證明，鋯合金是制造包殼管的最佳材料，它既不會從裂變反應(yīng)中移除中子，又能夠抵御高溫高壓水的腐蝕。需要說明的是，制造包殼管的鋯合金必須為核級鋯材。因?yàn)樵阡喪袖喤c鉿通常共同賦存其中，并且具有極為相似的化學(xué)性質(zhì)，分離起來非常困難。

鋯與鉿雖為“孿生兄弟”，但它們各具個性。在非核級鋯材中，通常含有1%～3%的鉿，在一般應(yīng)用中并無大礙。在反應(yīng)堆中情況就大不相同了?？茖W(xué)家看重的是鋯材對中子“透明”這一特質(zhì)，而鉿的熱中子吸收截面是鋯的600倍，意味著會吸收很多中子。因此，核級鋯材要求把鉿完全去除（含量小于0.02%）才能應(yīng)用。核級鋯合金是確保核安全的第一道屏障，依靠它把核燃料密封在燃料棒中，既要防止放射性物質(zhì)泄漏，又要維持反應(yīng)堆高效運(yùn)行。一座1000 兆瓦級的核電站首爐核燃料裝入時大約需要30噸核級鋯材，而且每12～18個月還需要更換部分核燃料。

20世紀(jì)70年代以來，我國核級鋯材一直依賴進(jìn)口，這已經(jīng)成為制約我國核電發(fā)展的核心材料“短板”。經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，我國首個自主研發(fā)的滿足三代核電要求的核級鋯材于2018年正式入堆，從而改變了我國核級鋯材受制于人的局面。

我國代號為N36的核級鋯材以鋯為基體加入其他多種元素制成，在300～400℃的高溫高壓水和蒸汽中具有良好的耐蝕性能和較低的熱中子吸收截面，對核燃料有著良好的相容性。

特殊使命，生物陶瓷的“健康之約”

制造醫(yī)用假體植入物的材料很多，大體上有醫(yī)用不銹鋼、鈦基合金、鈷基合金、高分子聚乙烯以及陶瓷材料等。以二氧化鋯為主要成分的氧化鋯陶瓷是一種很好的生物惰性陶瓷材料，在醫(yī)療健康領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。

從20世紀(jì)70年代開始，生物陶瓷（如氧化鋁）被應(yīng)用于制造骨科假體材料，如用作髖關(guān)節(jié)的置換材料。現(xiàn)在，用于人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的陶瓷材料主要有氧化鋁、氧化鋯以及氧化鋯增韌氧化鋁復(fù)合陶瓷。

髖關(guān)節(jié)是我們?nèi)梭w最為重要的關(guān)節(jié)之一，承受著人體大部分的重量。髖關(guān)節(jié)的病變嚴(yán)重影響人們的運(yùn)動功能和生存質(zhì)量，因此開展髖關(guān)節(jié)假體置換就成為了一個可行的方案。如今，全髖關(guān)節(jié)置換技術(shù)已經(jīng)十分成熟，并且置換材料也在與時俱進(jìn)地發(fā)展和進(jìn)化。氧化鋯陶瓷的第一個醫(yī)療應(yīng)用就是作為髖關(guān)節(jié)頭的置換材料而走向臨床的。

氧化鋯陶瓷應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域，主要得益于其具有良好的生物相容性。氧化鋯陶瓷具有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性，尤其在生理環(huán)境中表現(xiàn)出惰性的特質(zhì)，因此在人體內(nèi)具有很高的穩(wěn)定性。同時，氧化鋯陶瓷的強(qiáng)度、韌性、耐磨性也都很好，這也是生物植入材料所必需的。

在氧化鋯陶瓷中加入適量的穩(wěn)定劑，可以生產(chǎn)出性能更為優(yōu)秀的穩(wěn)定型氧化鋯陶瓷。如在氧化鋯陶瓷中加入2%～3%的氧化釔，則可以制得氧化釔穩(wěn)定的四方氧化鋯多晶陶瓷（Y-TZP），其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性都要比氧化鋁陶瓷更好。

氧化鋯增韌氧化鋁復(fù)合陶瓷是以氧化鋁、氧化鋯為主要成分，并加入少許其他氧化物制成的一種復(fù)合陶瓷材料。該材料利用氧化鋯相變增韌的機(jī)理，既保證了復(fù)合材料的硬度和耐磨性，又提高了復(fù)合材料的斷裂韌性，會在醫(yī)學(xué)植入手術(shù)中獲得更好的應(yīng)用效果。

氧化鋯陶瓷應(yīng)用于牙科，既是氧化鋯的機(jī)遇，也是患者的福音。用于牙科的氧化鋯陶瓷一般為Y-TZP 陶瓷，氧化釔的加入不僅改善了氧化鋯陶瓷的物理性質(zhì)，而且促進(jìn)了其穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。

Y-TZP 陶瓷以其特有的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能、美學(xué)性能而成為目前牙齒臨床修復(fù)的首選材料。具體來說，它的生物相容性要優(yōu)于各種金屬合金，對牙齦沒有刺激作用，可以排除對金屬的過敏反應(yīng)，能夠適應(yīng)口腔復(fù)雜的理化和生物環(huán)境。其優(yōu)異的力學(xué)性能體現(xiàn)在高韌性和高強(qiáng)度的融合，從而提高了其機(jī)械性能和耐用性能。至于美學(xué)性能，當(dāng)然也是不容置疑的。Y-TZP陶瓷的本色為白色，有著非常好的半透明度。用其作為牙齒修復(fù)體，看上去幾乎與天然牙齒無異，自然就非常美觀了。

走進(jìn)生活，潤物無聲的改變

我們都知道，普通的陶瓷材料以硬度高見長，而以韌性差為“短板”。而近些年誕生的氧化鋯陶瓷則是一種新型高科技精細(xì)陶瓷，既保留了傳統(tǒng)陶瓷的強(qiáng)度，又具有傳統(tǒng)陶瓷不具備的韌性，因此被人們譽(yù)為“陶瓷鋼”。

那么，氧化鋯陶瓷都能干些什么呢？我們還是先來說說走進(jìn)生活的氧化鋯陶瓷制品吧。氧化鋯陶瓷菜刀，輕便自不必說，不生銹也是值得稱道的。其鋒利程度要勝過鋼刀許多倍，而且還極其耐磨，不用擔(dān)心刀鋒會被鈍化。陶瓷刀對酸和堿具有很強(qiáng)的耐受性，并且不會釋放金屬離子，這一點(diǎn)在切水果和蔬菜等食物時尤為重要。不過，在處理帶骨食材時，還是用不銹鋼刀更為合適一些。另外， 陶瓷刀從高處墜落時容易發(fā)生損壞。

氧化鋯陶瓷刀不僅可用于現(xiàn)代廚房，而且也可以用于工業(yè)等領(lǐng)域。像氧化鋯和氧化鋁陶瓷剪刀、剃刀以及手術(shù)刀等，近年來比較流行。

我們的生活離不開軸承，自行車、電動車、汽車、火車等交通工具都有軸承在支持，電腦、冰箱、醫(yī)療器械、低溫工程、光學(xué)儀器、高速機(jī)床等也需要依靠軸承來維持正常工作。氧化鋯精細(xì)陶瓷的誕生，在軸承領(lǐng)域也派上了用場。與金屬軸承相比，氧化鋯陶瓷軸承則是優(yōu)勢多多。一是陶瓷軸承較金屬軸承耐腐蝕，因此壽命會長一些；二是陶瓷軸承較金屬軸承更輕盈，在轉(zhuǎn)動時對外圈的離心作用可降低不少；三是陶瓷能耐受高溫，并且熱脹冷縮作用要比金屬更小；四是陶瓷在受力時不變形，因此可保持較高的精度。陶瓷軸承的諸多優(yōu)異性能決定了其在惡劣環(huán)境和特殊工況條件下的工作可靠性。

據(jù)悉，某公司在電腦冷卻風(fēng)扇中使用氧化鋯陶瓷軸承，在產(chǎn)品壽命和噪聲穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)比較好。當(dāng)然了，陶瓷軸承并不是氧化鋯一統(tǒng)天下，像氮化硅、碳化硅等陶瓷材料，也都在陶瓷軸承領(lǐng)域占有一定的份額。

隨著5G時代的到來，智能手機(jī)的科技進(jìn)步也在加快。其中，氧化鋯陶瓷手機(jī)背板就是一個重要的應(yīng)用。5G時代信號傳輸速度加快，因而對硬件性能的要求也會更高一些。相較于傳統(tǒng)的金屬背板，氧化鋯陶瓷背板具有獨(dú)特的優(yōu)勢。高強(qiáng)度、耐腐蝕、高穩(wěn)定性等品質(zhì)是氧化鋯陶瓷的長項，并且氧化鋯陶瓷不存在信號屏蔽，散熱性優(yōu)良，外觀看上去也十分時尚。不過，氧化鋯陶瓷手機(jī)背板采用的是納米復(fù)合氧化鋯材料，對原材料的質(zhì)量和制備工藝要求很高。

氧化鋯陶瓷除了用作背板之外，還可以用作智能手機(jī)指紋識別蓋板。氧化鋯陶瓷具有的硬度、韌性以及絕緣性和導(dǎo)熱性等性能，使其成為制作按壓指紋識別模塊蓋的合適材料。氧化鋯陶瓷還具有介電常數(shù)高的特點(diǎn)，可使指紋識別操作更加靈活，成功率也會更高。

鋯及其化合物以其優(yōu)異的性能而受到人們的青睞，并成為許多尖端科技領(lǐng)域的先進(jìn)材料。在航天、機(jī)械、電子、汽車、冶金、能源、化工等諸多領(lǐng)域，鋯及其化合物都有用武之地。