２０１２年・第２期 技术与研究 中国材料科技与设备（双月刊）
共沉 淀法制备部分钇稳定的二氧化锆
孙锐 ，尚勋忠，刘越彦，郭金明，常钢，周桃生，何云斌
（湖北大学材料科学与工程学院功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室，湖北武汉４３００６２）
摘要：采用共沉淀法制备了部分钇稳定的二氧化锆粉体（ＹＳＺ），研究了不同钇含量、不同锆液浓度和不同煅烧条件对 粉体的相结构的影响。实验结果表明ＹＳＺ粉体中四方相含量变化对钇的掺杂量极为敏感，锆液浓度必须高于０．２ｍｏｌ／Ｌ才
能得到部分稳定的二氧化锆，煅烧条件对粉体的相结构无明显影响。通过实验获得了ＹＳＺ粉体的较佳制备条件。
关键词：二氧化锆；三氧化二钇；共沉淀法；相结构
中图分类号：Ｏ６１１．６２ 文献标识码：Ａ
０ 引言
二氧化锆是一种高温稳定性好，力学性能优良的结构材
料和功能材料。二氧化锆纳米粉体更是由于其优异的性能而
被应用于各个领域，如固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）等［１］。
四方多晶二氧化锆由于其优良力学性能吸引了众多的关 注Ｉ２］。同时，四方多晶二氧化锆作为增韧剂被广泛应用，如
掺入二氧化钛生物陶瓷中以增强其力学性能［３］。部分稳定氧
化锆（ＰｓＺ）由于其单斜一四方相变所带来的韧性增强从
而得到了大量应用，如氧化锆陶瓷假牙的制备［４］。部分稳定
的二氧化锆是一种很有潜力的高温结构陶瓷，其常用制备方
法有固相反应、水热法、ｓｏｌ－ｇｅｌ法、冷冻于法和共沉淀法 等＿５］。固相反应需要较高的温度，故能耗较高。水热法可以
在低温条件下制备出优越的晶粒相似、粒径单一的粉体＿６］。
共沉淀法工艺简单，常温下即可反应，故已运用于工业化生
产中。近二十年，不同的氧化物如Ｙ２（］３、ＭｇＯ、Ｃｄ０２等被
用于将二氧化锆的四方相稳定于室温下＿７ 。但是，稳定剂用
量不同，对粉体中四方相的稳定作用是不同的，不同用量将
会导致晶粒中稳定于室温下的四方相含量的不同。而部分稳
定的二氧化锆作为常用的陶瓷增韧剂，其增韧机理为在外界
压力作用下，发生单斜相向四方相的转变，掺入陶瓷基体内
的增韧剂颗粒在相变过程中吸收了基体尖端裂纹的能量，从
而阻止了裂纹的进一步扩展，达到增加基体韧性的目的。四
方相含量不同，颗粒所能吸收的能量也不同，因此四方相的
含量是至关重要的。本文目的即为研究共沉淀法制备Ｙ２
部分稳定二氧化锆（ＹｓＺ）粉体的工艺条件，研究不同工艺
参数对ＹＳＺ粉体相结构的影响。
１ 实验
１．１原料
本实验使用的原料为分析纯的ＺｒＯＣ１ ・８Ｈ。Ｏ
（９９％），分析纯的Ｙ２０３（９９．９９ ）和中国医药集团上海
化学试剂公司的浓氨水（２５ ～２８ ）。 １．２实验流程
将一定摩尔比的Ｚｒ（）Ｃｌ２・８Ｈｚ（）和Ｙｚ（）３的硝酸溶液 混合于去离子水中，匀速搅拌１０ｍｉｎ。用过量的氨水对混
合溶液进行滴定，将得到的Ｚｒ（０Ｈ） 和Ｙ（０Ｈ）。的沉淀
物用去离子水洗涤至中性。将洗涤后的沉淀物置于８Ｏ℃的
烘箱中烘干。最后，将沉淀物在一定温度下进行煅烧，得
到部分钇稳定的二氧化锆粉体。实验的流程图如图１所示。
图１ ＹＳＺ粉体制备流程图
Ｆｉｇ．１ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＹＳＺ ｐｏｗｄｅｒｓ
１．３分析测试
用日本理学Ｄ／Ｍａｘ－－３Ｃ型Ｘ射线衍射仪进行相结构
分析。用ＪＳＭ６５１０ＬＶ型ＳＥＭ仪进行粉体的形貌表征。
２ 结果与讨论
２．１不同Ｙ２ Ｏ３含量对ＹＳＺ粉体相结构的影响
制备了不同Ｙ２（）３含量的六个样品，Ｙ２（）ｓ含量分别为
０．５ｍｏ１ 、１．０ ｔｏｏｌ 、１．５ ｍｏｌ 、２．０ ｍｏｌ 、３．０
ｍｏｌ 、４．０ｍｏｌ 。氨水滴定前Ｚ一 浓度均保持在
０．２ｍｏｌ／Ｌ。滴定后获得的沉淀物均在６００￣Ｃ下煅烧２ｈ。对
所得粉体进行ＸＲＤ测试，测试结果及分析结果如表１及图
２所示。
从图２中可以看到，随着Ｙ２ 含量的增加，样品中单斜 相的含量逐渐减少，在Ｙ２（ 的含量为２．０ｍｏｌ 时，样品的
基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１１７５０６２／Ａ０５０４０６） ＊作者简介：孙锐（１９８７－－），男，硕士研究生。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｕｎｒｕｉ４５６８＠１６３．ｃｏｒｎ；通讯联系人：尚勋忠（１９７２－－），男，博士，副 教授，主要从事压电铁电陶瓷材料及应用方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｚｓｈａｎｇ＠ｈｕｂｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
・５０・ｈｔｔｐ：｜｜ ㈣．ｃｍａｓｔｅｑ。ｃｏｌＴｔ
中国材料科技与设备（双月刊） 共沉淀法制备部分钇稳定的二氧化锆 ２０１２年・第２期
相成分中只剩下四方相。随着钇添加量的继续增加，样品的相
结构未发生明显变化，均为四方相。二氧化锆在常温下为单斜
相，加入Ｙ２ 后钇元素固溶于晶格中，因为钇的阳离子半径
与Ｚ一 相近，置换锆原子后可以将四方相稳定于室温下。从
图２中可以看到，钇的稳定作用相当明显，掺杂量发生微小的
变化即可对粉体的相结构产生明显的改变。
表１不同Ｙｚ ０３含量对ＹＳＺ粉体相结构的影响
Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｃｕｂｉｃ ｐｈａｓｅ ｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＹＳＺ ｐｏｗｄｅｒｓ ｄｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｙ２ ０３
Ｙ２０３（ｍＩ ） 四方相Ｚｒ（）２ ０．５ １．Ｏ ｌ＿５ ２．０ ３．Ｏ ４．Ｏ ３４ ４３ ８２％ １００ １００ １００％
图２不同Ｙ２ ０３含量的ＹＳＺ粉体ＸＲＤ图
Ｆｉｇ．２ ＸＲＤ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ＹＳＺ ｐｏｗｄｅｒｓ ｄｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｙ２ ０３
２．２不同Ｚｒ 。。浓度对ＹＳＺ粉体相结构的影响
固定Ｙｚ ０３的含量为３ｔｏｏｌ ，前驱液中Ｚ一 的浓度分
别为０．３ｍｏｌ／Ｉ…０ ５ ｍｏｌ／Ｌ、１．０ ｍｏｌ／Ｌ、１．５ ｍｏｌ／Ｌ、２．０
ｍｏｌ／Ｌ。使用氨水滴定后，获得的沉淀物在６００℃下煅烧
２ｈ。ＸＲＤ测试结果及分析结果如图３和表２所示。 从图３中可以得出结论，前驱液中Ｚｒ４ 浓度过低时，
无法制得部分稳定的ＹＳＺ粉体。只有当前驱液中Ｚｒ４。。浓度
高于０．２ｍｏｌ／Ｉ 时，可以制得将四方相稳定于常温下的
ＹＳＺ粉体。
对于此结果，推测产生原因为使用的前驱液中Ｚｒ４一浓
度过低时，不利于反应的进行，Ｚｒ４ 的沉淀析出不够彻底，
最终导致Ｚｒ与Ｙ的元素比发生偏离，Ｙ的掺入量偏大，因
此制备的样品为全稳定的二氧化锆粉体。
２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ２ｏ
图３不同Ｚｒ４ 浓度下制备的ＹｓＺ粉体）【１ Ｄ图
Ｆｉｇ．３ ＸＲＤ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ＹＳＺ ｐｏｗｄｅｒｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ
ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｚｒ４ 表２不同锆液浓度对ＹＳＺ粉体相结构的影响
Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｃｕｂｉｃ ｐｈａｓｅ ｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＹＳＺ ｐｏｗｄｅｒｓ
ｐｒｅｐａｒｅｄｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｚ一
四方相ＺｒＯｚ
１００％
７５％
７７
７９
８３％
８Ｏ
２．３不同煅烧温度对ＹＳＺ粉体相结构的影响
选取前驱液中Ｚｒ４ 浓度为１＿０ｍｏｌ／Ｌ，Ｙ ０３的添加量
为３ｍｏｌ 。对于获得的白色沉淀进行了不同温度下的煅烧
处理。煅烧温度分别为６００℃、８００℃、１０００℃、１２００℃。 保温时间均为２ｈ。对最终获得的ＹＳＺ粉体，ＸＲＤ测试结
果及分析结果如图４和表３所示。
ｋ＾．．．…一－．．． Ｌ一 １ ２０…０＂Ｃ…２ｈ． ～＾ －一Ｉ‘＾ ． ＾岫 ０
、 Ｉ＿－＿－Ｉ 蚺＾ －－＂ ＿ ６Ｏ０℃２ｈ Ｈ —－．— －ｈ．．、＾－一－一’一．－ ｄ ２Ｏ ４Ｏ ２０ ６０ ８０
图４不同煅烧温度处理的ＹＳＺ粉体ＸＲＤ图
Ｆｉｇ．４ ＸＲＤ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ＹＳＺ ｐｏｗｄｅｒｓ ｃａｌｃｉｎｅｄ
ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 表３不同煅烧温度对ＹｓＺ粉体相结构的影响
Ｔａｂ．３ Ｔｈｅ ｃｕｂｉｃ ｐｈａｓｅ ｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＹＳＺ ｐｏｗｄｅｒｓ
ｃａｌｃｉｎｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
煅烧条件 四方相ＺｒＯｚ
６００℃２ｈ
８００℃２ｈ
１０００℃２ｈ
１２００℃２ｈ ８７％
８Ｏ
６６
７６
从表３中可以看到，温度对ＹＳＺ粉体的相结构无明显
的影响。但是四方相含量出现少许下降的趋势。这可能是
由于随着处理温度的升高，晶粒的生长更加完整所致。从
图４中可以观察到，随着温度的升高，单斜相衍射峰强度
有所提高，说明晶粒结晶度提高。
从２．１、２．２、２．３中可以看到，二氧化锆单斜相的衍
射峰相对强度普遍较低，对此可以从粉末衍射卡中给出的
不同相结构下二氧化锆与氧化铝的衍射峰强度之比得到解
释。二氧化锆与氧化铝按１：１混合后进行测试时，四方相
二氧化锆与氧化铝的强度之比为１Ｏ．２６，而单斜相二氧化
锆与氧化铝的强度之比为２．６．可见，四方相二氧化锆的衍
ｈｔｔｐ：／／ｕ￣ｗ．ｃｍａｓｔｅｑ．ＣＯＯｌ・５１・ ２ ３ ５ Ｏ ５ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ｌ １
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射峰强度是远高于单斜相二氧化锆的。因此单斜相二氧化
锆的衍射峰的相对强度偏低是正常的。
２．４粉体形貌表征
如图５所示，所制备的粉体团聚度较高，但是单个晶
粒大小均在ｌＯＯｎｍ左右。对于粉体颗粒间较高的团聚作
用，可能是由于颗粒尺寸较小，粉体表面活性能高，所以
颗粒之间容易相互吸引，从而聚集为更大的颗粒。
图５ ＹＳＺ粉体的ＳＥＭ图
Ｆｉｇ．５ ＳＥＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ ｏｆ ＹＳＺ ｐｏｗｄｅｒｓ
３ 结论
本实验采用ＺｒＯＣ１ｚ・８ＨｚＯ和Ｙｚ（）。的硝酸溶液制备
了部分钇稳定的ＹＳＺ一一一３ｍｏｌ Ｙｚ０。的样品，在ＸＲＤ 测试结果中观察到了室温下存在的四方相。通过实验确定 部分钇稳定的二氧化锆粉体的较佳工艺条件为：前驱液中
Ｚｒ４一浓度高于０．２ｍｏｌ／Ｌ，Ｙ２ Ｏ３含量为３ｍｏｌ ，煅烧温度
为６００℃，保温２ｈ。 参考文献： ［１］Ｘｉｎ Ｘ Ｓ，ＩＡｉ Ｚ，ｅｔ ａ１．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｅｈａｒａｃｔ—ｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ＹＳＺ ｂｙ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｌｅｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．［Ｊ］．Ｊｏｕｒａｎｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ２００６，４２５：６９ ７５ ［２］Ｌｉｎ Ｊ Ｄ，Ｄｕｈ Ｊ Ｇ．ｃ０ｒｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈｙ—ｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｕｌｔｒａｆｉｎ ５．５ｍｏｌ Ｃｅ０２—２ｍｏｌ Ｙ（）１．ｊ—Ｚｒ（）２ Ｐｏｗ— ｄｅｒｓ．［Ｊ］．Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ，１９９７，８０：９２—９８ ［３］Ｍｉａｏ ｘ Ｇ，Ｓｕｎ Ｄ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｙ—ＴＺＰ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｎ
ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｉｔａｎｉａｂａｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．［Ｊ］． Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００９，３５：２８１—２８８ ［４３ Ｌｅｅ Ｈ Ｅ，Ｄｕ ｊ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｐｈａｓｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ２ ｍｏｌ Ｙｚ（）ｓ—ＰＳＺ Ｎａｎｏｐｏｗｄｅｒｓ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ａ ｃ０ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅ—ｓｓ． ＥＪ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ—Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌ ｉｄｓ，２０１１，３５７：２１０３—２１０８ ［５］Ｒａｍａ Ｒａｏ Ｇ Ｖ，Ｒａｍａｋｒｉｓｈｎａｎ Ｋ Ｎ，ｅｔ ａ１．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ ｂｙ ａ ｓｏｌ—ｇｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓ．［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９５，２２：７１ ７５ ［６］Ｘｕ Ｇ，Ｚｈａｎｇ Ｙ，ｅｔ ａ１．ＨｙｄｒｏｔｈｅｒａｍａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｗｅａｋｌｙ
Ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｅｄ ａｎ０ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｃａｎｄｉａ—Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ．［Ｊ］． Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ，２００２，８５：９９５—９９７ ［７］Ｃａｓｅｌｌａｓ Ｄ，Ｃｕｍｂｒｅｒａ Ｆ Ｉ ，ｅｔ ａ１．Ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ ｏｆ Ｙ—Ｚｒ（）２ｃｅｒａｍｉｃｓ ｗｉ—ｔｈ ｍｉｘｅｄ Ｙ—ＴＺＰ／ＰＳＺ ｍｉｃｒｏ— ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００１， ２１：７６５—７７７
Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｙｔｔｒｉａ Ｐａｒｔｉａｌｌｙ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ Ｐｏｗｄｅｒｓ
ｂｙ Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ
ＳＵＮＲｕｉ ，ＳＨＡＮＧＸｕｎ－－ｚｈｏｎｇ，Ｌ儿 Ｙｕｅ－－ｙａｎ，ＧＵＯＪｉｎ一７７ｚ ｇ，
ＣＨＡＮＧＧａｎｇ，ＺＨＯＵＴａｏ－－ｓｈｅｎｇ，ＨＥ Ｙｕｎ－－ｂｉｎ
（Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｂｅｉ，Ｗｕｈａｎ，４３００６２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｙｔｔｒｉａ ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ ｐｏｗｄｅｒｓ（ＰＳＺ）ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｒａ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｙｔｔｒｉａ，ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｚｒ什ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｖ ０ｆ
ｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃ ｐｈａｓｅ ｉｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔＯ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｙｔｔｒｉａ；ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＺＰ ｍｕｓｔ ｂｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ０．２ｍｏｌ／Ｉ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ＰＳＺ ｐｏｗｄｅｒｓ ａｎｄ ｃａｌｃｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｉｎｄｉｓｔｉｎｃｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐｏｗｄｅｒ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｄｉ
ｔｉｏｎｓ ｏｆ ＹＳＺ ａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｚｉｒｃｏｎｉａ；Ｙｔｔｒｉａ；Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ；Ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
・５２・ｈｔｔｐ：｛｜ 咖．ｃｍａｓｔｅｑ．ｃｏ￣９
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