1.绪论

1.1研究背景

粉体由颗粒堆积而成，一般包括有机粉体、金属粉体和陶瓷粉体。依照化学成分，陶瓷粉体分为氧化物（氧化锆、氧化铝、氧化硅）和非氧化物（金属碳化物、氮化物、硼化物）两类。陶瓷材料拥有着许多常见金属材料和高分子复合材料所不具备的优点，其拥有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、低热膨胀系数等优秀性能^[1]。然而，陶瓷材料也存在着两个弱点，即低韧性和低可靠性，这些问题限制了陶瓷材料的应用^[2]。

氧化锆陶瓷是一种二十世纪七十年代发展起来的新型结构陶瓷，被广泛的研究和应用。氧化锆陶瓷具有优秀的机械性质（高断裂韧性和弯曲强度）和良好的物理化学性能而被誉为”陶瓷钢”^[3]。它在许多领域例如陶瓷颜料、固体电解质、压电元件、宝石业、离子交换器及工程陶瓷等方面有着广泛的应用。

1.2 ZrO₂的结构与性质

氧化锆在常压条件下的晶相主要为三种：单斜相(monochnic，M)，密度5.56g/cm³，热力学稳定范围为低于1100℃；四方相(tetragonal，T)，密度6.10g/cm³，热力学稳定范围为1100~2300℃；立方相(cubic，C)，密度5.90g/cm³，热力学稳定范围为高于2300℃。氧化锆在室温状态下为单斜相。氧化锆在加热煅烧至830℃时开始由单斜相逐渐转变为四方相，直到温度上升至1170℃时全部转变为四方相，并同时伴随着5％左右的体积收缩。若继续煅烧至2370℃，则又会全部转变为立方相。但在冷却过程中，由四方相转变为单斜相时，因单斜新相的晶核难以形成，故四方相在转变为单斜相会出现滞后现象，直至850~1000℃时才会转变，并伴随约8%的体积膨胀。这种单斜相与四方相之间的相转变称为氧化锆的马氏体相变，其产生的体积变化是氧化锆增韧效果实现的主要原因^[4]。

1.3 纳米ZrO₂的制备工艺

目前合成纳米陶瓷粉体的方法主要有物理法和化学法，或者根据合成的条件不同分为固相法、液相法和气相法^[5]。物理法由于主要应用于单质、合金等纳米颗粒的制备，故使用物理法制备纳米氧化锆粉体的报道较少，故制备纳米氧化锆粉体主要采用化学法。固相法在实验室中运用较多，因为使用的设备较简单，条件较适宜，但得到的纳米粉体纯度较低，颗粒分布较宽。气相法制得的粉体有着较低的团聚度，并且纯度高，烧结性能优良，但该方法对设备的要求较高，且产量低，极大限制了其应用。目前，液相合成法是应用广泛且合成质量较高的方法，该方法设备简单，无需较高真空度，且得到的粉体纯净，聚合度低，因而成为制备纳米陶瓷粉体的主要方法。液相法制备纳米氧化锆粉体主要分为沉淀法、共沸蒸馏法、微乳液法、溶胶#8212;凝胶法、水热法等。其中溶胶#8212;凝胶法和水热法具有比较显著的优势。

1.3.1 溶胶#8212;凝胶法

溶胶#8212;凝胶法制备纳米粉体的原理是将无机盐或金属醇盐溶于溶剂中形成均匀溶液，此时溶质与溶剂会产生水解或醇解反应，生成物则会聚集成1 nm左右的粒子而形成溶胶，然后溶质聚合并凝胶化，经过干燥、焙烧后去除其中的有机成分，最终得到纳米陶瓷粉体。溶胶#8212;凝胶法工艺简单，使用设备价格低廉，锻烧所需温度较低，粉体的强度韧性高；增进了多元组分体系中的化学均匀性，其均匀性可达分子或原子水平；反应过程可以实现精确控制，并调控凝胶的微观结构；制备使用材料掺杂的范围较宽，化学计量准确，易于改性；制备所得粉体组分均匀、产物的纯度高^[6]。然而溶胶#8212;凝胶法原料价格较昂贵，部分原料为对健康有害的有机物；制备过程所需时间较长，常常会需要几天甚至几周；凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中会有气体及有机物逸出，产生收缩。