彩色氧化锆：真是太惊艳了！

在5G时代，智能手机行业正在经历一场变革，氧化锆陶瓷在这一轮技术洗牌中成为智能手机后盖的热门材料。2018年，小米发布了一款名为“翡翠绿”的手机，标志着彩色陶瓷智能手机时代的开启，并逐渐让大众熟悉了这种材质。 彩色氧化锆。

随着电子通信的发展和人们生活水平的提高，彩色氧化锆陶瓷凭借其优异的生物相容性、卓越的金属光泽和良好的机械性能，在日常生活中得到了越来越广泛的应用，包括医疗牙科修复材料、装饰行业以及移动智能终端设备等领域。然而，给氧化锆“着色”并非易事。

这两种着色剂是互斥的。

目前市售彩色氧化锆主要通过添加不同的稀土元素、金属元素和氧化物而呈现出丰富的色彩。制备彩色氧化锆的难点在于氧化锆陶瓷的烧结温度通常在1550至1650℃之间。高温下，许多颜料或着色剂会分解或挥发，失去其着色效果；因此，仅通过添加颜料或着色剂难以制备出色彩鲜艳的氧化锆陶瓷。此外，颜料的分解会降低陶瓷产品的密度，显著降低陶瓷材料的固有韧性，从而对成品的质量产生不利影响。因此，彩色陶瓷的制备和新色系的开发是业内关注的重点，因为色彩鲜艳、无毒且具有良好机械性能的陶瓷具有非常广阔的市场应用前景。

“彩色陶瓷的关键瓶颈：粉末控制和烧结技术”

1.控制粉末质量是关键

彩色氧化锆的制备主要目标是实现着色剂在氧化锆基体中的均匀分散。这对于复合陶瓷，尤其是纳米复合陶瓷而言至关重要，因为颜料和氧化锆基体颗粒的粒径小、比表面积大，导致它们之间存在显著的静电吸引力和范德华力。这些因素会促进颜料和氧化锆基体颗粒的团聚，这种现象不仅会导致纳米复合陶瓷着色不均匀，还会影响其力学性能。因此，如何确保颜料颗粒在氧化锆基体中的均匀分散，从而制备出具有优异力学性能和色彩质量的彩色氧化锆陶瓷，关键在于克服粉末颗粒的团聚问题。为了制备高性能、多色的氧化锆陶瓷，必须找到合适的分散方法。常用的制备方法包括以下几种：

• 固相混合法：这是目前工业上制备彩色氧化锆陶瓷最广泛应用的方法。该方法是将着色剂、矿化剂和其他氧化物颗粒按特定化学比例与稳定的氧化锆纳米粉混合并进行球磨。在此过程中，固体颗粒得到细化，从而形成微裂纹、晶格畸变，并提高表面能，有利于低温化学反应的发生。该方法具有工艺简单、成本低、易于操作、具有工业化潜力等优点，但无法解决纳米颗粒团聚的问题。
• 化学共沉淀法：该方法利用锆盐、稳定剂盐和着色离子盐的混合物溶液，该溶液与碱或碳酸盐反应生成氢氧化物或碳酸盐沉淀，随后加热得到氧化锆复合粉末。该工艺较为复杂，但可获得高纯度、性能优异的粉末。需要注意的是，使用化学沉淀法时必须控制硬团聚的风险。
• 液相浸渍法：这是一种制备彩色氧化锆陶瓷的新方法。该方法的优势在于着色离子在氧化锆基体中均匀分散，并且能够制备复合材料和梯度材料。此外，可通过注塑成型获得不同形状的氧化锆生坯，然后利用液相浸渍法将其加工成各种形状的彩色氧化锆陶瓷。

2. 烧结方法

除了制备方法上的差异会影响其性质外， 氧化锆粉此外，烧结方法也会影响彩色氧化锆陶瓷的性能和颜色。随着学科交叉和技术的进步，许多新的烧结方法在传统烧结技术之外涌现出来：

• 电火花烧结：研究人员利用电火花烧结法进行了试验，结果表明，烧结温度是影响氧化锆陶瓷韧性的最重要因素，其次是烧结时间。试验确定的最佳烧结温度为1400℃，最佳烧结时间为5分钟。采用该方法制备的氧化锆陶瓷具有较高的硬度和断裂韧性。
• 微波烧结：与传统烧结方法相比，微波烧结具有无可替代的优势。它是一种均匀加热方法，材料将吸收的微波能量转化为分子动能和热能，从而实现材料的整体加热。材料内部的温度梯度极小，显著降低了因加热不均而导致的开裂风险。采用这种烧结方法制备的氧化锆的物理性能明显更优。

彩色氧化锆颜色分类

为了满足对颜色可变、性能稳定、材料和制备工艺环保无污染的彩色氧化锆陶瓷的需求，国内外已经开发出十多种彩色氧化锆。

1.红色陶瓷系统

红色陶瓷的研究现状并不令人满意，主要原因是染料成分不稳定，无法承受高温，或者染料虽然色彩鲜艳，但含有对人体有害的物质。此外，虽然也存在一些相对稳定且不含害物质的染料，但颜色不够鲜艳。研究发现，使用氧化铁（Fe）可以改善这一现状。₂这₃以氧化铁（Fe₂O₃）为着色剂，与3YSZ基体结合，可制备出橙红色氧化锆陶瓷，其最高红度值可达20，并伴有较高的黄度值；然而，其颜色并不符合红色要求。此外，氧化铁的引入显著降低了3YSZ体系的力学性能，使其断裂韧性仅为5.0至6.0 MPa·m⁻¹/²，极大地限制了其工业应用。因此，红色陶瓷已成为最稀有、无法大规模生产的陶瓷类型之一。华为发布的Mate 60 RS非凡大师版手机，其设计中就采用了红色陶瓷。据报道，华为首次将二氧化铈（CeO2）稀土元素引入红色陶瓷烧结工艺，经过60天的精心制作，再经1400℃高温煅烧和50余道工序，最终在特定参数下定型，使红色色调内外均匀一致。这标志着红色陶瓷在手机行业首次实现量产和商业化，具有里程碑式的意义。

2.黑色陶瓷系统

随着陶瓷技术的发展，黑色釉料经过多次改进，最终形成了如今日常生活中常见的黑色陶瓷颜料。近年来，由于氧化钴资源稀缺且价格昂贵，人们开始寻求替代材料以降低成本。因此，以二氧化锰（MnO₂）、三氧化二铁（Fe₂O₃）和三氧化铬（Cr₂O₃）为原料，制备了不含钴的黑色氧化锆陶瓷着色剂，得到了三种不同颜色的尖晶石：深棕色的铬铁矿尖晶石、深红色的锰铁尖晶石和深绿色的铬锰尖晶石。通过调节混合比例来控制每种尖晶石的含量，可以制备出稳定的黑色着色剂，这三种颜色相互影响，从而显著降低成本，提高经济效益。

然而，在制备黑色氧化锆陶瓷的过程中，多相尖晶石结构易与氧化锆基体发生反应，导致尖晶石结构破坏、相稳定性降低、开裂倾向增加以及成型困难。此外，由还原氧化锆粉末制成的颜料呈深灰色，这给制备亮黑色陶瓷带来了更大的挑战。

3.蓝色陶瓷系统

钴是最早用于蓝色釉料的元素，时至今日，该行业仍然主要依赖氧化钴（Co₂O₃）。₂这₃为了进一步生产蓝色陶瓷，需要合成蓝色尖晶石复合颜料。目前，蓝色系陶瓷颜料主要包括钒锆蓝颜料、钴铝尖晶石、镍铝尖晶石，以及用其他离子替代钴离子的尖晶石型颜料、六铝酸盐和镧系颜料。在保证色彩性能和机械性能的同时，目前的研究重点是探索环境友好且经济的蓝色颜料替代品。