紅色氧化鋯陶瓷的制備

摘要本文以氧化釔穩定氧化鋯粉體為主要原料，采用稀土氧化物CeO2為著色劑，加入適量的有機黏結劑、分散劑和水，采用干壓成型工藝壓制出厚度為1～2 mm的陶瓷圓片，采用高溫固相法燒結，低溫還原處理制備出呈色鮮艷的大紅色氧化鋯陶瓷，研究不同氧化鈰的添加量、還原溫度對紅色色相的影響。

關鍵詞" 紅色氧化鋯陶瓷；還原溫度；氧化鈰

0前言

隨著人們對裝飾水平的要求越來越高，氧化鋯陶瓷基于其優良的生物相容性、金屬光澤以及機械性能，越來越多的彩色陶瓷被廣泛應用于手機背板、醫學牙科修復材料等領域。黑色、藍色、黃色等在市場上有穩定的高溫著色劑，引入氧化鋯陶瓷在高溫燒成過程中較為穩定，但傳統硒鎘紅大紅顏料在高溫燒成過程中顏色不穩定，故不能應用于制備紅色氧化鋯陶瓷。國內外學者逐漸將外著色的研究轉化為內著色，呂浩東于2020年通過稀土氧化物氧化鈰摻雜氧化鋯陶瓷，通過還原燒成得到大紅色氧化鋯陶瓷，并將其顯色歸因于色心顯色理論。本實驗以釔穩定3-YSZ粉體為主要原料，添加適量的氧化鈰為著色劑，研究了氧化鈰的用量、還原溫度對紅色氧化鋯陶瓷呈色性能的影響，并對其色度值進行了表征。

1實驗部分

1.1實驗原料

實驗所用原料有氧化鈰（工業級）、氧化釔（99.9%）、氧化鋯（99%）、釔穩定氧化鋯（工業純）、聚乙烯醇1788、丙三醇、聚丙烯酸銨、乳化石蠟、無水乙醇（分析純）。

1.2實驗過程

按一定配比稱取釔穩定氧化鋯粉和氧化鈰置快速球磨機中，料∶水為1∶0.6，添加0.2%分散劑，球磨時間為30 min，加入10% PVA溶液，所得漿料進行低溫烘干，過60目篩造粒，干壓成型，制成厚度為1～2 mm的圓片，再通過空氣爐高溫燒結、還原爐低溫還原處理得到紅色氧化鋯陶瓷片。

1.3性能測試

（1）采用XRD檢查試樣中物相組成。

（2）采用測色儀對樣品色度值進行表征。

（3）采用紫外反射率測試儀對樣片紫外反射率進行測試。

2實驗結果及分析

2.1氧化鈰添加量及還原溫度對呈色的影響

調整CeO2添加量，并在900～1 400 ℃之間進行還原處理3 h，得到呈色如圖1所示，從圖1中可以看出氧化鈰的添加量及還原溫度的變化都會對紅色氧化鋯陶瓷有顯著的影響，在還原溫度一定時，隨著氧化鈰添加量增大，其色調由橙黃色逐漸變為橙紅色，再向暗紅色方向變化。從圖2中對應的色度值可以看出：當氧化鈰添加量較低時，其L值較高、亮度較大，但a值較小、紅度值偏低；氧化鈰含量增加，L值降低、a值升高，當CeO2含量為3 wt%～3.5 wt%時，a值和L值達到平衡，樣品呈色較佳；繼續增加CeO2含量，其色調往棕色方向發展，L值和a值都降到最低，故CeO2添加量為3.5 wt%時達到最佳。

如圖1、2所示，當氧化鈰添加量一定時，改變還原溫度觀察呈色及色度值變化。當還原溫度為900 ℃時，L值和a值都比較低，b值偏高，紅色值和亮度都偏低，說明900 ℃只有部分Ce4+轉化為Ce3+，所以顏色的飽和度不夠；當還原溫度在1 200 ℃時，a值明顯升高，L值也較高，紅色度和亮度達到最佳值。

由Ce-YSZ氧化鋯陶瓷紫外反射率圖譜（見圖3）可知：在可見光范圍內未還原處理的樣品具有較高的反射率，呈色為白色。經過還原處理的樣品反射率明顯下降，在900～1 300 ℃時所有樣品的反射率波長在400 nm～550 nm，反射率達到最低值，小于10%，在此波長范圍內具有較強的光吸收，對應的顏色為藍綠色；在550 nm～650 nm波長之間的反射率增加，吸收率逐漸降低；波長范圍大于650 nm時，光的反射率急速增加，對應的可見光為紅色，且隨著溫度的升高反射率下降，說明溫度升高紅色加深、亮度變暗。

在還原過程中，部分Ce4+離子轉變為具備單電子4f1的Ce3+離子，氧空位束縛了4f能級的單電子，形成缺陷色心，其周圍的Ce4+離子為了保持電中性，轉變為Ce3+離子，該色心吸收了400～550 nm的可見光，并反射了550～650 nm的混合光，因此樣品的顏色從淺紅色轉變為深紅色。隨著Ce3+離子的增加，氧空位的數量增加，進一步導致色心的濃度和可見光的吸收增加，樣品變暗。

2.2氧化鈰添加量及還原溫度對氧化鋯陶瓷結構性能的影響

添加氧化鈰會對體積密度有一定程度的影響，并且隨著氧化鈰添加量的增加，體積密度呈下降趨勢（見圖4）。分析原因：一方面，氧化鈰引入氧化鋯陶瓷中起到了燒結助劑的作用，燒結助劑過多導致晶粒長大，從而影響了陶瓷的致密度，體積密度下降；另一方面，使用的釔穩定氧化鋯屬于納米級粉體，而實驗所采用的氧化鈰原料是工業級的，粒徑較大，加入氧化鋯陶瓷后導致氧化鈰局部富集，局部晶體異常長大，從而導致材料整體密度下降。

由圖5可以看出，隨著還原溫度的升高，氧化鋯陶瓷的體積密度呈下降的趨勢（見圖5）。在900～1 000 ℃時曲線較平緩，降低不明顯，到1 200～1 400 ℃時降低幅度較大，分析原因：隨著還原處理溫度的升高，其粒子的平均粒徑增大，從而導致體積密度的下降。氧化鈰的加入量變化和還原溫度的變化都會導致體積密度的下降，但其下降幅度最大為1.5%。

3結論

（1）采用稀土氧化物CeO2對氧化鋯陶瓷進行著色，其添加量在3.5 wt%時紅度值和飽和度最佳。

（2）采用高溫燒結、低溫還原處理的工藝，并且還原處理溫度為1 200 ℃時呈色最佳。

（3）氧化鈰的加入量變化和還原溫度的變化都會導致其體積密度的下降，但其下降幅度最大為1.5%。

參考文獻

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