彩色氧化鋯：真是太驚艷了！

在5G時代，智慧型手機產業正在經歷一場變革，氧化鋯陶瓷在這一輪技術洗牌中成為智慧型手機後蓋的熱門材料。 2018年，小米發布了一款名為「翡翠綠」的手機，標誌著彩色陶瓷智慧型手機時代的開啟，並逐漸讓大眾熟悉了這種材質。 彩色氧化鋯。

隨著電子通訊的發展和人們生活水平的提高，彩色氧化鋯陶瓷憑藉其優異的生物相容性、卓越的金屬光澤和良好的機械性能，在日常生活中得到了越來越廣泛的應用，包括醫療牙科修復材料、裝飾行業以及移動智能終端設備等領域。然而，給氧化鋯「著色」並非易事。

這兩種著色劑是互斥的。

目前市售彩色氧化鋯主要透過添加不同的稀土元素、金屬元素和氧化物而呈現出豐富的色彩。製備彩色氧化鋯的困難在於氧化鋯陶瓷的燒結溫度通常在1550至1650℃之間。在高溫下，許多顏料或著色劑會分解或揮發，失去其著色效果；因此，僅通過添加顏料或著色劑難以製備出色彩鮮豔的氧化鋯陶瓷。此外，顏料的分解會降低陶瓷產品的密度，顯著降低陶瓷材料的固有韌性，進而對成品的品質產生不利影響。因此，彩色陶瓷的製備和新色系的開發是業內關注的重點，因為色彩鮮豔、無毒且具有良好機械性能的陶瓷具有非常廣闊的市場應用前景。

“彩色陶瓷的關鍵瓶頸：粉末控制和燒結技術”

1.控製粉末品質是關鍵

彩色氧化鋯的製備主要目標是實現著色劑在氧化鋯基體中的均勻分散。這對於複合陶瓷，尤其是奈米複合陶瓷而言至關重要，因為顏料和氧化鋯基體顆粒的粒徑小、比表面積大，導致它們之間存在顯著的靜電吸引力和范德華力。這些因素會促進顏料和氧化鋯基體顆粒的團聚，這種現像不僅會導致奈米複合陶瓷著色不均勻，還會影響其機械性能。因此，如何確保顏料顆粒在氧化鋯基體中的均勻分散，從而製備出具有優異力學性能和色彩品質的彩色氧化鋯陶瓷，關鍵在於克服粉末顆粒的團聚問題。為了製備高性能、多色的氧化鋯陶瓷，必須找到合適的分散方法。常用的製備方法包括以下幾種：

• 固相混合法：這是目前工業上製備彩色氧化鋯陶瓷最廣泛應用的方法。此方法是將著色劑、礦化劑和其他氧化物顆粒以特定化學比例與穩定的氧化鋯奈米粉混合並進行球磨。在此過程中，固體顆粒會被細化，從而形成微裂紋、晶格畸變，並提高表面能，有利於低溫化學反應的發生。此方法具有製程簡單、成本低、易於操作、具有工業化潛力等優點，但無法解決奈米顆粒團聚的問題。
• 化學共沉澱法：此方法利用鋯鹽、穩定劑鹽和著色離子鹽的混合物溶液，該溶液與鹼或碳酸鹽反應生成氫氧化物或碳酸鹽沉澱，隨後加熱得到氧化鋯複合粉末。此製程較為複雜，但可獲得高純度、性能優異的粉末。需要注意的是，使用化學沉澱法時必須控制硬團聚的風險。
• 液相浸漬法：這是一種製備彩色氧化鋯陶瓷的新方法。此方法的優點在於著色離子在氧化鋯基體中均勻分散，並且能夠製備複合材料和梯度材料。此外，可透過注塑成型獲得不同形狀的氧化鋯生坯，然後利用液相浸漬法將其加工成各種形狀的彩色氧化鋯陶瓷。

2. 燒結法

除了製備方法上的差異會影響其性質外， 氧化鋯粉此外，燒結方法也會影響彩色氧化鋯陶瓷的性能和顏色。隨著學科交叉和技術的進步，許多新的燒結方法在傳統燒結技術之外湧現：

• 電火花燒結：研究人員利用電火花燒結法進行了試驗，結果表明，燒結溫度是影響氧化鋯陶瓷韌性的最重要因素，其次是燒結時間。試驗確定的最佳燒結溫度為1400℃，最佳燒結時間為5分鐘。採用此方法製備的氧化鋯陶瓷具有較高的硬度和斷裂韌性。
• 微波燒結：與傳統燒結法相比，微波燒結具有無可取代的優點。它是一種均勻加熱方法，材料將吸收的微波能量轉化為分子動能和熱能，從而實現材料的整體加熱。材料內部的溫度梯度極小，顯著降低了加熱不均所造成的開裂風險。採用這種燒結方法製備的氧化鋯的物理性質明顯較優。

彩色氧化鋯顏色分類

為了滿足對顏色可變、性能穩定、材料和製備工藝環保無污染的彩色氧化鋯陶瓷的需求，國內外已經開發出十多種彩色氧化鋯。

1.紅色陶瓷系統

紅色陶瓷的研究現況並不令人滿意，主要原因是染料成分不穩定，無法承受高溫，或染料雖然色彩鮮豔，但含有對人體有害的物質。此外，雖然也存在一些相對穩定且不有害物質的染料，但顏色不夠鮮豔。研究發現，使用氧化鐵（Fe）可以改善這一現狀。₂這₃以氧化鐵（Fe₂O₃）為著色劑，與3YSZ基體結合，可製備出橙紅色氧化鋯陶瓷，其最高紅度值可達20，並伴隨較高的黃度值；然而，其顏色並不符合紅色要求。此外，氧化鐵的引入顯著降低了3YSZ系統的機械性能，使其斷裂韌性僅為5.0至6.0 MPa·m⁻¹/²，大大限制了其工業應用。因此，紅色陶瓷已成為最稀有、無法大規模生產的陶瓷類型之一。華為發表的Mate 60 RS非凡大師版手機，其設計中就採用了紅色陶瓷。據報道，華為首次將二氧化鈰（CeO2）稀土元素引入紅色陶瓷燒結工藝，經過60天的精心製作，再經1400℃高溫煅燒和50餘道工序，最終在特定參數下定型，使紅色色調內外均勻一致。這標誌著紅色陶瓷在手機產業首次實現量產和商業化，具有里程碑式的意義。

2.黑色陶瓷系統

隨著陶瓷技術的發展，黑色釉料經過多次改進，最終形成瞭如今日常生活中常見的黑色陶瓷顏料。近年來，由於氧化鈷資源稀缺且昂貴，人們開始尋求替代材料以降低成本。因此，以二氧化錳（MnO₂）、三氧化二鐵（Fe₂O₃）和三氧化鉻（Cr₂O₃）為原料，製備了不含鈷的黑色氧化鋯陶瓷著色劑，得到了三種不同顏色的尖晶石：深棕色的鉻鐵礦尖晶石、深紅色的鐵石尖晶石和深鉻尖石。透過調節混合比例來控制每種尖晶石的含量，可以製備出穩定的黑色著色劑，這三種顏色會相互影響，從而顯著降低成本，提高經濟效益。

然而，在製備黑色氧化鋯陶瓷的過程中，多相尖晶石結構易與氧化鋯基體反應，導致尖晶石結構破壞、相穩定性降低、開裂傾向增加、成型困難。此外，由還原氧化鋯粉末製成的顏料呈現深灰色，這給製備亮黑色陶瓷帶來了更大的挑戰。

3.藍色陶瓷系統

鈷是最早用於藍色釉料的元素，時至今日，該行業仍主要依賴氧化鈷（Co₂O₃）。₂這₃為了進一步生產藍色陶瓷，需要合成藍色尖晶石複合顏料。目前，藍色系陶瓷顏料主要包括釩鋯藍顏料、鈷鋁尖晶石、鎳鋁尖晶石，以及用其他離子取代鈷離子的尖晶石型顏料、六鋁酸鹽和鑭系顏料。在確保色彩性能和機械性能的同時，目前的研究重點是探索環境友善且經濟的藍色顏料替代品。