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纳米氧化锆粉体制备技术及应用
氧化锆(ZrO2)是锆的主要氧化物，通常状况下为白色无臭无味晶体，难溶于水、盐酸和稀硫酸。
氧化锆是一种非常重要的功能和结构材料，具有优异的物理化学性能，因此，它的制备及应用，得到材料届的广泛关注，制备分散性良好的纳米氧化锆粉体成为各研究单位的重要研究方向。
本文重点介绍纳米氧化锆粉体的各种制备工艺及应用。
图1氧化锆的晶格结构
一、纳米氧化锆粉体的制备方法
已经有报道的纳米氧化锆的制备方法主要有物理法和化学法。
1、物理法
（1）机械粉碎法
机械粉碎法是指通过机械力的作用将大颗粒氧化锆粉体细化，如球磨等。
该方法技术简单，但制备得到的粉体粒度不够均匀，形状难以控制，且粉碎过程中易被粉碎器械污染，设备要求高，投资大，因此很难达到工业生产的要求。
（2）真空冷冻干燥法
将普通氧化锆粉体制备成湿物料或溶液，在较低的温度下冻结成固态，然后在真空下使其中的水分不经液态直接升华为气态，再次冷凝后得到的氧化锆颗粒粒度小且疏松。
但是费用较高，不能广泛采用。
2、化学法
（1）共沉淀法
共沉淀法，就是在溶解有不同阳离子的电解质溶液中添加合适的沉淀。
纳米氧化锆粉体制备及貝表面改性技朮的研究进展靳艺凯陈鹏郑华强王双喜(汕头大学工学院广东汕头51 5063)摘要随着5G 时代的到来，氧化锆陶瓷材料凭借其断裂韧性好、强度高、耐磨损、低电磁屏蔽等优良的机械、物理性能成为精细陶瓷领域的研究热点。
纳米氧化锆粉体的粒度、表面形貌及其稳定性直接影响着所制备的氧化锆陶瓷的质量。
笔者按照固相法、液相法、气相法等分别介绍了几种常见纳米氧化锆粉体的制作工艺，分析比较了不同工艺方法的优缺 点，重点评述了解决纳米钇稳定的氧化锆粉体(YSZ)容易发生团聚、与有机物亲和性较差等问题的表面改性技术。
关键词氧化锆陶瓷纳米粉体5G ；网络技术粉体制备工艺表面改性中图分类号：TB34 文献标识码:A 文章编号：1002 — 2872(2020) 12 — 0012 — 09Development of the Preparation And Surface Modification Technologies of Nano — zirconia PowderJIN Yikai, CHEN Peng, ZHENGr Huaqiang , WANGr Shuangxi ( College of Engineering , Shantou University, Gniangdong ,Shantou ,515063, China )Abstract ： With the advent of the 5G t network , zirconia ceramic materials have become one of the research hotspots in thefield of fine c eramics , due to their superior mechanical and physical properties such as good fracture toughness , highstrength , wear resistance and low electromagnetic shielding. The properties of zirconia products are directly affected by the particle size , surface morphology and stability of nano — zirconia powder. In this paper , the solid phase method , liquidphase method , as well as gas phase method for preparing nano —zirconia powders are introduced respectively/The advanta ges and disadvantages of them are summarized. Finally , the surface modification technology for agglomeration and poor af finity with organic substances of Nano — yttrium stabilized zirconia powders ( YSZ ) are reviewed in detail.Keywords ： Zirconia ceramics ; Nano — powder; 5 G t network technology ; Preparation process ; Surface modification氧化错(Zr()2)陶瓷是20世纪70年代发展起来 的一种具有高硬度、高韧性、良好的耐磨耐蚀性的新型 陶瓷［1］。
球形纳米氧化锆的模板法制备技术论文1引言氧化锆是一种重要的结构和功能材料，它具有非常优异的物理及化学性质[1].氧化锆的高温稳定性和隔热性最适合做陶瓷涂层和高温零部件，他特殊的晶体结构使之成为重要的电子材料[2].而陶瓷材料的优越性能依赖于粉体的性能，纳米粉体的应用不仅与氧化锆的纯度、结构有关，而且粉体的粒度、分散性、形貌对粉体的应用也具有较大的影响。
其中球形且单分散的粉体所制备陶瓷材料具有低的烧结温度、高的致密性及均匀的微观结构而被引起广泛关注[3-4].通常制备氧化锆颗粒的方法有共沉淀法[5-7]、水热合成法[8]、微乳法[9-11]及模板法[12].特别是模板法，因其反应条件温和、所制备的粉体形貌可控、模板易去除等优点而被关注。
丁汉民[13]采用TritonX-100/n-C10H21OH/H2O为模板制备不同形貌的葡萄糖锌粉体，并讨论模板的组成、体系温度、反应物温度对所制备的粉体形貌的影响。
F.G.Freitas[14]利用溶致液晶模板的六角相制备的不同陶瓷材料，并对所制备的材料形貌进行调控，使其定向生长。
Santos[15]在溶致液晶六角相中直接成核，制备了氧化锆晶须。
从目前研究的结果看以看出，采用模板法可以制备纳米材料[16-17],模板法多采用离子型表面活性剂或非离子型表面活性剂单一的表面活性剂组装，并采用其构建的模板合成了纳米Si、Pbs、Cus、Hgs等材料。
而采用混合型的表面活性剂组装成模板较少，而采用TritonX-100/SDS/H2O 为模板法制备球形的氧化锆粉体未见报道。
采用TritonX-100/SDS/H2O体系的层状相成功合成了球形纳米氧化锆粉体，并在低温（600℃）烧结时形成立方相的氧化锆。
首先确定TritonX-100/SDS/H2O体系的层状相区，讨论反应物的加入对模板层状相区稳定性的影响，采用稳定模板通过控制反应物浓度最终获得球形纳米氧化锆，并进行形貌和结构等表征及其机理分析。
第25卷第6期硅酸盐通报Vol . 25No . 62006年12月BULLETI N OF THE CH I N ESE CERAM I C S OC I ETY December, 2006钇稳定氧化锆纳米粉体制备技术研究进展王洪升, 王贵, 张景德, 徐廷鸿1211(1. 山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室, 济南250061; 2. 济南大学泉城学院, 济南250061摘要:纳米YSZ 是一种新型的高科技材料, 有着广泛而重要的用途。
本文根据国内外最新研究现状及其发展趋势, 综述了纳米级YSZ 的制备技术, 特别就目前研究比较多的水热法和反胶团法给予了重点阐述, 并就目前制备过程中存在的问题, 解决方法及发展方向作了介绍。
关键词:YSZ; 纳米粉体; 团聚; 制备The Prepara ti on Progresses of Y SZ Nanom WAN G Hong 2sheng , WAN G Gui , J , XU 2. Quancheng College of J China 1211(Keb Lab . of L iquid Structure and Heredity of MaterialsM J inan 250061, China;Abstract:U ltrafine ne advanced material, which has wide and significant uses . methods of YSZ powder were revie wed in this paper on the basis of ne w op trends, es pecially the hydr other mal method and the reverse m icelles were described in The p r omble m s that need t o be s olvoed and the directi on in the future were given .Key words:YSZ; nanometer powder; aggregati on; p reparati onY 2O 3稳定的Zr O 2(YSZ 固体电解质, 具有较高的氧离子导电性, 良好的机械性能, 优秀的耐氧化和耐腐蚀性[1]以及不与电极材料反应[2]等优点而成为制作氧传感器、高温固体燃料电池、压电陶瓷、铁电陶瓷以及氧泵等的主要材料, 而氧化钇稳定氧化锆粉体超细的晶粒粒度、颗粒的均匀性和合理的成分配比是获得高离子电导性能和良好机械强度YSZ 固体电解质的关键。
氧化锆制备技术的研究现状与进展张铭媛1, 2，康娟雪1, 2，普婧1, 2，黄秀兰1, 2，段利平1, 2，彭金辉1, 2, 3，陈菓1, 2, 3, *（1.云南省高校民族地区资源清洁转化重点实验室，云南民族大学，云南昆明650500；2.云南省跨境民族地区生物质资源清洁利用国际联合研究中心，云南民族大学，云南昆明650500；3. 非常规冶金教育部重点实验室，昆明理工大学，云南昆明650093）摘要：氧化锆被广泛用作高温、负载及侵蚀性介质条件下的抗磨损结构构件，对工业生产具有重要意义。
现今生产氧化锆的稳定化制备工艺较多，现对几种常见的制备氧化锆的生产技术进行了介绍，并分析了这些制备技术的优势，化学法制备出的氧化锆粒径分布均匀且方法简单易行。
溶胶-凝胶法生产的氧化锆粒径小、单分散性能优异。
水热法生产出的氧化锆粒径小、纯度高。
电熔法生产的氧化锆杂质含量低，致密度高且生产工艺简单。
微波热处理制备的氧化锆反应时间短、升温速率快、能耗小。
氧化锆的多种制备工艺技术使得其性能应用更加的多样化。
关键词:氧化锆；化学法；溶胶-凝胶法；水热法；电熔法；微波热处理中图分类号：TF841.4文献标识码：A 文章编号：Research status and progress of zirconia preparationtechnologyZHANG Mingyuan 1, 2, KANG Juanxue 1, 2, PU Jing 1, 2, HUANG Xiulan 1, 2,DUAN Liping 1, 2, CHEN Guo 1, 2, 3, *(1. Key Laboratory of Resource Clean Conversion in Ethnic Regions, Education Departmentof Yunnan, Yunnan Minzu University, Kunming Yunnan, 650500, China;2. Joint Research Centre for International Cross-border Ethnic Regions Biomass Clean Utilizationin Yunnan, Yunnan Minzu University, Kunming Yunnan, 650500, China; 3. Key Laboratory of Unconventional Metallurgy, Ministry of Education, Kunming University of Science and Technology,Kunming Yunnan, 650093, China)Abstract:Zirconia was widely used as an anti-wear structural element under high temperature, load and aggressive media conditions and was of great importance to industrial manufacture. The current manufacture of zirconia was more stabilization of the preparation process, several common preparation of zirconia manufacture technology were introduced and analyzed the advantages of these preparation techniques, the zirconium oxide prepared by chemical method uniform particle size distribution and the method was simple and easy to do. Sol-gel method to produce fine powder particles, monodisperse excellent stability of zirconia powder. Hydrothermal production of zirconium oxide was small particle size, high purity. Fused zirconium oxide produced by low content of impurities, high density and production process was simple. Zirconia prepared by microwave heat treatment has short reaction time, fast heating rate and low energy consumption. The various preparation technology of zirconia makes its application more diversified.Keywords:zirconia; chemical method; sol-gel method; hydrothermal method; electrofusion; microwave heat treatment1前言氧化锆（ZrO2）是一种耐高温、耐腐蚀、高硬度的一种材料。
本文通过利用此制备方法的优势，用于纳米氧化锆复合陶瓷粉体制备中，通过实验证实此制备技术的可行性，并在优化试验参数后成功得到优异性能的纳米复合陶瓷。
本次为了制备纳米氧化锆复合陶瓷粉体，所用试验试剂包括氧氯化锆、硫酸锆、硝酸氧锆、丙烯酰胺、过硫酸铵、亚甲基双丙烯酰胺、硝酸钇、去离子水等[1]；所用仪器设备包括磁力搅拌器、高温管式炉、玛瑙研钵、精密电子天平、X 射线衍射仪、热重/差热同步分析仪、傅里叶红外光谱仪、显微硬度计等。
在参考以往研究聚丙烯酰胺凝胶法制备超导粉体YBa 2Cu 3O 7-x 方法，用于本次氧化锆纳米粉体的制备过程，具体步骤如下：第一步，使用电子天平称取定量的氧氯化锆、硝酸氧锆、硫酸锆无机锆盐粉末，并溶入去离子水内，配制一定浓度无机锆盐溶液；第二步，使用电子天平称取一定量丙烯酰胺粉末、亚甲基双丙烯酰胺粉末，搅拌均匀至澄清待用；第三步，将溶液加热至50℃时，加入适量过硫酸铵与四甲基乙二胺，继续升温所获溶液至60℃维持1h，充分反应直至生成透明凝胶状反应物[2]；第四步，将反应物转移至恒温干燥箱内，100℃干燥24h，即可获得干凝胶；第五步，研磨获得的干凝胶置于高温管式炉内，设定升温速度为5℃/min 直至既定温度后保持4h 恒温，然后降温至室温；第六步，研磨粉体，获取不同煅烧温度条件下的纳米陶瓷粉体。
选取聚乙烯醇用于本实验的粘结剂，配置3wt%的聚乙烯醇溶液，并在氧化锆粉体内缓慢加入溶液，使用机械搅拌直至粉体充分分散于溶剂中，对混合物使用研钵研磨后，装入不锈钢模具内干压成型处理，设定20Mpa 压力，3min 保压时长，成功制备为13mm 的2mm 厚度标准试样，之后放置80℃的恒温干燥箱内，维持4h 恒温充分干燥，获得了氧化锆陶瓷素坯。
将所获初步试样放置3℃/min 升温速度的高温管式炉内，直至温度升高至800℃维持半小时恒温，除尽聚乙烯醇之后，按照5℃/min 升温速度，设定升温条件分别达到1250℃、1350℃、1450℃、1550℃，进行2h 的无压烧结，直至最后炉温降至室温，即可获得氧化锆陶瓷。
纳米氧化锆粉体的制备与表征吴佳航;刘国军;张桂霞;刘素花;王妍;张鹏飞【摘要】采用化学沉淀法来制备氧化锆粉体,利用DTA、TG、IR、XRD等方法对氧化锆粉体及前驱物进行表征,并重点研究了锆盐浓度及煅烧温度对氧化锆粉体结构与性能的影响.结果表明,前驱物在450℃下煅烧后,由无定型转变为晶相,氧化锆粒子中同时存在单斜相和四方相,主要以单斜相为主.随着煅烧温度升高,氧化锆晶粒生长速度增大,晶粒尺寸变大,晶型由四方相逐渐转变为单斜相.当锆盐浓度为0.4 mol/L时,粉体的产率高、晶粒尺寸小,晶粒尺寸为20.2 nm,结晶完整性最好.【期刊名称】《大连工业大学学报》【年(卷),期】2015(034)006【总页数】4页(P476-479)【关键词】氧化锆;化学沉淀法;锆盐浓度;煅烧温度【作者】吴佳航;刘国军;张桂霞;刘素花;王妍;张鹏飞【作者单位】大连工业大学纺织与材料工程学院,辽宁大连116034;大连工业大学纺织与材料工程学院,辽宁大连116034;大连工业大学纺织与材料工程学院,辽宁大连116034;大连工业大学纺织与材料工程学院,辽宁大连116034;大连工业大学纺织与材料工程学院,辽宁大连116034;大连工业大学纺织与材料工程学院,辽宁大连116034【正文语种】中文【中图分类】TQ050.4纳米粒子因其独特的微观结构，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应，因此有着独特的热、光、电、磁和催化等物理化学性质[1]。
纳米氧化锆是一种熔点和沸点高，硬度和强度大，常温下为绝缘体，而高温下则具有导电性的无机非金属材料[2]。
氧化锆因其特殊的性能，主要应用于高温陶瓷、耐火材料、釉料、压电元件、陶瓷电容器、气敏元件、固体电解质电池、光学玻璃、二氧化锆纤维及锆催化剂等[3-6]。
氧化锆具有优异的耐热、耐腐蚀和可塑性，已成为新材料领域重要的基础原料[7]。
有研究表明，100 nm的ZrO2在拉伸疲劳试验中晶粒出现300%的超塑性，由于晶粒粒径的减小，材料性能有了数量级的提高，烧结温度大大下降，作为添加剂它能使脆性材料增韧，韧性材料强度更强，陶瓷材料的脆性问题可望得到解决[8]。
四方相氧化锆粉体制备工艺研究摘要：以ZrOC l2·8H2O和Y2O3为主要原料，采用醇－水溶液加热结合共沉淀法制备出Y2O3稳定的纳米ZrO2复合粉体。
利用X射线衍射(XRD)分析和扫描电子显微镜(SEM)研究了复合粉体的物相组成和晶粒大小。
结果显示，当Y2O3含量为2mol%时，复合粉体由单斜相ZrO2和少量四方相ZrO2组成；当Y2O3含量为3mol%、4mol%时，粉体全部由四方相ZrO2组成。
750℃～900℃煅烧时，复合粉体的物相组成变化不大，但四方相ZrO2的晶粒尺寸随煅烧温度升高而增大。
关键词：醇-水溶液加热法，共沉淀法，t-ZrO2Press of Preparation of Tetragonal Zirconia PowderABSTRACT：Using ZrOC12•8H2O and Y2O3 as the main raw materials, the nanometer-size ZrO2(Y2O3) powder was prepared by heating of alcohol-aqueous salt solutions combined with co-precipitation method. XRD and SEM were performed to investigate the phase composition and the grain size of the ZrO2(Y2O3) powder. The results show that the composite powder with 2 mol% Y2O3 was composed of monoclinic zirconia (m-ZrO2) and a small amount of tetragonal zirconia (t-ZrO2). However, only t-ZrO2 existed in the ZrO2(Y2O3) powder when the content of Y2O3 increased to 3mol% and 4mol%. The phase composition of the composite powder changes little when the calcining temperature increased from 750℃to 900℃. However, the size of t-ZrO2 grain increased with the calcining temperature.KEY WORDS: heating of alcohol-aqueous salt solutions，co-precipitation methods，t-ZrO2引言二氧化锆早已广泛应用于陶瓷材料和多相催化剂中。
纳米氧化锆粉体的制备与表征共沉淀法共沉淀法是在水溶性锆盐与稳定剂的混合水溶液中加入氨水等溶液，反应后生成不溶于水的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、醋酸盐等，再经加热分解得到高纯度纳米超细粉。
张渊明等⋯以ZrOC1 ·8H 0为原料，加入Y 0 为稳定剂，搅拌时向混合液中滴加氨水生成沉淀，经分离、水洗和喷雾干燥后制得的纳米z ，晶粒大小为20 nm左右，比表面积可达79．5 n{／g。
反应器对纳米材料的合成及最终产品的性能有影响。
由于物料在不同形式的反应器中具有不同的流动和传热传质特征，导致反应器中浓度、温度及停留时间分布不同，从而影响着物料间的反应与晶体成核和生长过程的相对速度，进而影响着最终产物的粒度和粒度分布。
钱刚等‘采用共沉淀法，将Kenics型静态混合器应用于ZrO 纳米粉体的制备，研究了物流在其中的流动状态，并研究了静态混合器单元数、反应物浓度和流量等因素对粉末性能的影响。
结果表明，静态混合器可消除反应器内物料在径向的浓度和温度等差别，物料在其中的流动状态近似于活塞流；反应物浓度越大，粉末的一次粒径越小，但团聚粒径变大，而增大反应物流量则有利于生成粒径较小的粒子。
共沉淀法工艺简单，所得纳米粉体性能较好，但在洗涤后的沉淀物中，有少量初始溶液中的阴离子及沉淀剂中的阳离子残留物，对纳米粉体的烧结性能产生不良影响。
李燕等以共沉淀法制得纳米ZrO 超细粉，用硬脂酸对其表面进行改性，发现表面发生了类似于酸和醇生成酯的酯化反应，在粒子表面形成单分子膜，使表面由极性转变为非极性，提高了纳米z 超细粉的分散性。
水解沉淀法利用金属的明矾盐溶液、硫酸盐溶液、氯化物溶液、硝酸盐溶液等在高温下经过较长时间的水解可以形成氧化物超微粉。
例如，加热ZrCIO 溶液使其沸腾，水解生成的HC1不断蒸发除去，使水解反应平衡不断向生成产物的方向移动，经过几天时间可以合成单分散态Zd3 超微粉。
其反应式如下：ZrOC12+(3+n)H20一zr(OH)4nH20+2HC1此法操作简单，但能耗较大，反应缓慢且不经济。
第25卷第6期 硅 酸 盐 通 报 Vol .25 No .6 2006年12月 BULLETI N OF THE CH I N ESE CERAM I C S OC I ETY December,2006 钇稳定氧化锆纳米粉体制备技术研究进展王洪升1,王 贵2,张景德1,徐廷鸿1(1.山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,济南 250061;2.济南大学泉城学院,济南 250061)摘要:纳米YSZ 是一种新型的高科技材料,有着广泛而重要的用途。
本文根据国内外最新研究现状及其发展趋势,综述了纳米级YSZ 的制备技术,特别就目前研究比较多的水热法和反胶团法给予了重点阐述,并就目前制备过程中存在的问题,解决方法及发展方向作了介绍。
关键词:YSZ;纳米粉体;团聚;制备The Prepara ti on Progresses of Y SZ Nanom eter PowderWAN G Hong 2sheng 1,WAN G Gui 2,ZHAN G J ing 2de 1,XU Ting 2hong1(Keb Lab .of L iquid Structure and Heredity of MaterialsM inisity of Educati on,Shandong University,J inan 250061,China;2.Quancheng College of J inan University,J inan 250061,China )Abstract:U ltrafine YSZ particles are a ne w type of advanced material,which has wide and significant uses .Varieties of p reparati on and drying methods of YSZ powder were revie wed in this paper on the basis of ne w p r ogress and devel op ing trends,es pecially the hydr other mal method and the reverse m icelles were described in detail .The p r omble m s that need t o be s olvoed and the directi on in the future were given .Key words:YSZ;nanometer powder;aggregati on;p reparati on作者简介:王洪升(19822)男,硕士.主要从事氧化锆气敏陶瓷的研究.E 2mail:wanghongsheng@mail .sdu .edu .cn Y 2O 3稳定的Zr O 2(YSZ )固体电解质,具有较高的氧离子导电性,良好的机械性能,优秀的耐氧化和耐腐蚀性[1]以及不与电极材料反应[2]等优点而成为制作氧传感器、高温固体燃料电池、压电陶瓷、铁电陶瓷以及氧泵等的主要材料,而氧化钇稳定氧化锆粉体超细的晶粒粒度、颗粒的均匀性和合理的成分配比是获得高离子电导性能和良好机械强度YSZ 固体电解质的关键。
氧化锆纳米粉体的制备及其烧结性能研究目录第1章前言 (1)1.1纳米材料概述 (1)1.2纳米氧化锆及其陶瓷材料概述 (2)1.2.1二氧化锆的结构与性质 (2)1.2.2氧化锆纳米材料的研究进展 (5)1.2.3纳米氧化锆粉体的制备 (6)1.2.4氧化锆陶瓷材料的成型 (9)1.2.5氧化锆陶瓷的烧结 (10)1.2.6纳米氧化锆及其陶瓷的应用 (12)1.3本课题研究目的及主要研究内容 (14)1.3.1课题研究目的 (14)1.3.2课题研究内容 (14)第2章实验材料及方法 (16)2.1实验试剂与仪器 (16)2.2粉体制备实验步骤与流程 (17)2.2.1实验步骤 (17)2.2.2实验流程 (18)2.3氧化锆陶瓷试样的制备 (20)2.4纳米氧化锆粉体的测试与表征手段 (20)2.4.1物相组成（X射线衍射）分析 (21)2.4.2热重-差热(TG-DTA)分析 (21)2.4.3红外光谱(FT-IR)分析 (21)2.4.4形貌(TEM)分析 (22)2.5烧结试样的性能测试 (22)2.5.1密度的测定 (22)2.5.2收缩率的测定 (22)2.5.3抗弯强度的测定 (23)2.5.4显微结构分析 (23)第3章氧化锆纳米粉体合成工艺条件的研究与机理分析 (24)3.1常压水热法制备氧化锆纳米粉体 (24)3.1.1实验内容 (24)3.1.2实验结果与讨论 (25)3.2有机网络凝胶法制备ZrO2纳米粉体 (34)3.2.1实验内容 (34)3.2.2实验原理 (34)3.2.3实验结果与讨论 (35)3.3本章小结 (46)第4章氧化锆纳米粉体的烧结性能研究 (47)4.1烧结试样的密度测试与分析 (48)4.2烧结试样收缩率的测试与分析 (50)4.3烧结试样的抗弯强度测试与分析 (51)4.4烧结试样的显微结构测试与分析 (52)4.5本章小结 (57)第5章结论 (58)参考文献 (59)致谢 (63)攻读硕士期间发表论文及专利情况 (65)第1章前言材料的开发与应用在人类社会的发展历程中起着非常关键的作用，另一方面，技术决定材料及由材料形成的器件、装置的性能和应用，从而推动人类社会的飞速发展。
材料与信息、能源作为当代科学技术领域的三大支柱而广受关注，尤其是起奠基石作用的材料研究，而能源技术与信息科技的发展迫切需要材料技术的支持。
随着科学技术的发展和人类对自然规律认识的进步，材料组成与性能的深入研究正面临着更高要求的挑战，在社会发展的每一阶段，新材料的发现和使用都标志着人类支配和改造自然的能力达到了一个新的高度，标志着人类社会文明程度的提高[1]。
人类将依据主观想法随意操纵单个原子与分子的设想由著名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman于1959年首次提出[2]，这便预言了纳米科技的出现只是时间问题；我国著名科学家钱学森1991年也曾预言，纳米及纳米尺寸级别的结构将会引领科技发展进入下一重要发展阶段，同时带来21世纪的一次产业技术革命，从而使人类社会进入一个全新的科技时代[3]。
毋庸置疑，科学家们早期的预言在今天纳米科技的发展水平及其在各高新领域的应用中已经逐步得到了证实。
在科技与信息迅猛发展的新世纪，纳米材料技术以其显著不同于单个分子和体材料的独特性质以及其在电子学、化工、光学、陶瓷、生物和医药等领域的重要研究价值，引起了世界各国学者的广泛关注，因而纳米材料被誉为“二十一世纪最有前途的材料”[4]。
1.1纳米材料概述纳米科技(Nano-ST)是上世纪80年代中期、90年代末迅速发展起来的崭新的前沿科研领域，其基本涵义是在纳米尺寸(10-9-10-7m)范围内认识和改造自然。
纳米科技主要研究电子、原子、分子的运动规律和特性，进而在纳米尺度范围内研究物质所具有的性质、功能及应用的高新科学技术，其最终目标是人类能够按照自己的意志直接操纵和排列原子、分子，进而组装得到具有特定功能的产品[5]。
纳米材料的尺度是介于原子簇与宏观物体之间的过渡区域，所以其物理、化学性质既区别于微观的原子、分子，也与宏观物体不同。
当宏观物质被加工到纳米尺度时，其表面的电子结构和晶体结构随之发生变化，具有了宏观物质自身所不具备的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等[6]，造成其光学、电学、热学和磁学等一系列性质相应地发生显著变化。
狭义的纳米技术是以纳米科学为基础制造新材料、新器件，并作为研究新工艺的方法和手段，即研究结构尺度在1-100nm范围内材料的性质及其应用。
目前，随着纳米科技的发展，纳米材料有了更广阔的范畴。
广义的纳米材料是指在三维空间内至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。
所以依照维数，纳米材料的基本单元可列为三种[7]：(1)零维，指空间三维尺度均处于纳米级，如纳米颗粒、原子团簇等；(2)一维，即空间中的两维处于纳米级，如纳米丝、纳米管和纳米棒等；(3)二维，指三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、超晶格和多层膜等。
由于这些基本单元具有量子的性质，所以对零维、一维和二维的单元分别又称为量子点、量子线和量子阱。
纳米科技的研究领域主要包括：(1)纳米物理学；(2)纳米化学；(3)纳米材料学；(4)纳米生物学，这4个研究体系是相对独立的，其中纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支因其理论研究意义和应用前景巨大而成为科学研究的前沿领域。
随着纳米材料的不断深入发展，纳米科学研究的内涵逐渐扩大，其研究概念也随之更新，纳米材料科学的研究任务主要包括[8-9]：系统的研究纳米材料的组成、性能与微观结构的内在联系，通过与常规块体材料对比，从而找出纳米材料的内在规律，进而完善和发展纳米科学体系；另一方面是开发新型纳米材料及纳米器件。
1.2纳米氧化锆及其陶瓷材料概述氧化锆是一种十分重要的结构和功能材料，具有优异的物理和化学性能，比如高熔点(2700℃)和高沸点、导热系数小、热膨胀系数大、耐高温和耐磨性好、抗蚀性能优良等，是一种耐高温、耐磨损、耐腐蚀的无机非金属材料。
自从氧化锆相变增韧陶瓷材料首次被发明并加以利用以来，科学家对其进行深入的研究、开发与应用热潮更是发展到了一发不可收拾的地步，进一步促进了氧化锆在各个工业及技术领域的广泛应用。
氧化锆作为陶瓷材料、功能材料和耐高温材料的重要原料而引起了世界各国的高度重视[10]。
1.2.1二氧化锆的结构与性质ZrO2的分子量为123.22，熔点2680℃，沸点4275℃。
高纯ZrO2呈白色，较纯的则呈现出灰色或黄色。
立方晶型氧化锆属于萤石型的结构，空间群为Fm3m ，如图1-1所示，Zr 4+所构成的面心立方点阵刚好占据了八面体一半的空隙，而O 2-则占据着面心立方点阵所有的4个四面体空隙。
图1-1 ZrO 2的萤石型结构Fig 1-1 Fluorite framework of ZrO 2 一般认为氧化锆(ZrO 2)是一个多晶相体系，在常压下共有三种晶型：单斜(Monoclinic) 氧化锆(m-ZrO 2)、四方(Tetragonal)氧化锆(t-ZrO 2)以及立方(Cubic)氧化锆(c-ZrO 2)。
如图1-2所示ZrO 2的3种同质变体，四方氧化锆相当于萤石结构沿着c 轴伸长而变形的晶体结构，空间群为P42/nmc ；单斜氧化锆晶体则可以看作四方晶沿着β角偏转一个角度而构成的，空间群为P21/c 。
三种晶型的相互转化、存在的温度范围及密度则如下所示：上述转化过程是可逆的相转变，常温下氧化锆只能以单斜相存在。
这些晶型转变会引起极大的体积效应，如在加热过程中，单斜晶向四方晶转变，对应体积收缩7-9%；在冷却时，其变化正好与前者相反；同时四方相向立方相的转变也会出现类似的情况。
另一方面由于其导热系数小，热膨胀系数大，使得纯ZrO 2的抗热震性能极差而无法直接使用，因此必须对纯ZrO 2进行稳定化处理。
O-Zr4+ -O 2-m-ZrO 2t-ZrO 2 c-ZrO 2 5.85g/cm33950℃ 1700℃2370℃ 2370℃ 6.16g/cm 3 6.27g/cm 3图1-2 单斜、四方和立方氧化锆的单胞结构Fig 1-2 The unit-cell structure of monoclinic, tetragonal, cubic zirconia 对ZrO 2进行稳定化处理即在纯ZrO 2中适量添加一些结构为立方对称的二价或三价氧化物（如Y 2O 3、MgO 、CaO 、CeO 2等），或加入其他的稀土金属氧化物与ZrO 2形成固溶体或复合体，从而改变并稳定晶体的内部结构。
由于加入的这些掺杂剂能形成亚稳的四方相或立方相，起到稳定的作用，而且高温下这些立方格子的氧化物在氧化锆的原始晶格上会施加一定的压力，强迫ZrO 2形成立方萤石结构。
室温下氧化锆与添加的氧化物形成固溶体的相结构与添加量有关，如图1-3所示，当加入足够多的稳定剂时，高温稳定的c-ZrO 2可以一直保持至室温不发生相改变[11]。
例如，当Y 3+的添加量大于8%(mol)时，此时固溶体的相结构为完全立方相，称为全稳定的ZrO 2 (FSZ)，尽管其强度及韧性不高，但因具有良好的离子导电性而常被用于固体电解质。
图1-3 ZrO 2-Y 2O 3系列的平衡状态图Fig 1-3 The balance graph of ZrO 2-Y 2O 3Monoclinic 单斜 Tetragonal 四方 Cubic 立方1.2.2氧化锆纳米材料的研究进展氧化锆(ZrO 2)陶瓷是二十世纪七十年代发展起来的一类极具发展应用前景的新型结构陶瓷[12]，近半个世纪以来，随着对陶瓷材料理论研究的深入和开发利用，以ZrO 2陶瓷材料为代表之一的高性能陶瓷在工程技术领域中越来越受到重视，主要是利用其独特的相变特性获得具有高断裂韧性和抗弯强度的材料，又因ZrO 2具有优良的力学性能及耐高温、耐腐蚀性能，所以倍受学者的瞩目。
氧化锆陶瓷是一种具有高硬度、导热率低、高韧性、良好的耐磨耐蚀性及高温离子导电性的陶瓷材料，作为一种优良的无机非金属原料，除用于传统耐火材料外，还广泛用于压电元器件、陶瓷电容器等功能陶瓷领域。
自1975年Ganrie Hannik 和Pascoet 发现ZrO 2陶瓷相变增韧特性以来，以ZrO 2为增韧剂的复合陶瓷材料得到了空前的发展，现已成功开发出部分稳定ZrO 2(PSZ)、四方多晶ZrO 2 (TZP)和ZrO 2增韧氧化铝(ZTA)等材料。
目前，国内外对ZrO 2结构陶瓷的研究主要集中在以下几个方面：相变增韧机理研究、常温力学性能的改善、低温老化性能及机理研究、高温力学性能研究、摩擦磨损机理以及氧化锆陶瓷的实际应用与开发等[13-14]。
