立方相氧化鋯在可見光波段的折射率接近2.2，遠高於傳統的光學玻璃和光學樹脂（1.5~1.8）。立方相氧化鋯可以用於製作光學鏡頭，迎合了如數碼相機和望遠鏡等現代光學器件的大視角和小型化的發展趨勢。但氧化鋯單晶的生長需要很高的溫度和較長的周期，其製備成本很高。隨着透明陶瓷技術的不斷發展，其在力學和光學等方面的優勢使其得到較多關注，因此在相對較低的溫度下製備出氧化鋯透明陶瓷成為新的選擇。此外，氧化鋯透明陶瓷在可見光和中紅外波段具有良好的透過率，耐磨損、耐酸鹼腐蝕、耐雨水侵蝕，有望用作窗口材料。
近年來，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李江團隊深入開展了氧化鋯透明陶瓷的研究工作，並取得了系列研究進展。該團隊以商業8YSZ（釔穩定氧化鋯）粉體為原料，系統研究了預燒溫度對陶瓷內部氣孔和晶粒尺寸的影響，結合熱等靜壓燒結製備出了兼具光學透過率和力學性能的氧化鋯透明陶瓷。隨着熱等靜壓燒結的溫度從1350℃升高至1550℃，陶瓷在800nm處的直線透過率從65.3%升高至74.2%，平均晶粒尺寸從2.4μm增大至16.3μm，抗彎強度從328±20MPa降低至289±19MPa。較高的熱等靜壓燒結溫度能夠產生更強的燒結驅動力，氣孔排除更充分，陶瓷光學透過率更好，但陶瓷的晶粒會長大，相應力學性能下降。相關研究成果發表在Journal of Advanced Ceramics（2022，doi: 10.1007/s40145-022-0602-6）。
同時，該團隊以成本低、來源廣的ZrOCl2·8H2O和Y(NO3)3為原料，NH3·H2O為沉澱劑，採用共沉澱法合成了Y0.16Zr0.84O1.92納米粉體，並通過空氣預燒結合熱等靜壓燒結技術成功製備出了直線透過率達到65.3%@800nm的氧化鋯透明陶瓷。該研究團隊調控共沉澱工藝中滴定終點的pH值來優化納米粉體的分散性和燒結活性，並將氧化鋯透明陶瓷的光學透過率提升至67.8%@800nm。該團隊通過優化預燒溫度來提高氧化鋯透明陶瓷的光學透過率。結果表明，1300℃空氣預燒結合熱等靜壓燒結技術製備的氧化鋯透明陶瓷具有更好的光學質量，其直線透過率達到72.4%@800nm。相關研究結果分別發表於Scripta Materialia（2019, 171: 98-101）、Optical Materials（2019, 98: 109475）和Optical Materials（2020, 100: 109645）。
將稀土氧化物或過渡金屬氧化物作為著色劑摻入陶瓷中，可以製備出顏色鮮艷、折射率高、理化性能穩定、力學性能優異和無毒的彩色氧化鋯透明陶瓷，克服了彩色氧化鋯單晶在極高的製備溫度下着色劑嚴重揮發的難題。目前國內外對氧化鋯透明陶瓷研究主要集中在無色或淡黃色上，因此對氧化鋯透明陶瓷顏色的研究以及開發具有重要科學意義和應用價值。近期，李江團隊與江蘇大學材料學院教授劉強合作開展了關於彩色氧化鋯透明陶瓷的研究工作，並取得了研究進展。該團隊以商業8YSZ粉體和CeO2粉體為原料，採用固相混合著色法結合兩步燒結技術製備了直線透過率為70.7%@700nm，紅色度a*為57.1的彩色氧化鋯透明陶瓷。該紅色氧化鋯透明陶瓷製備技術可有效避免着色劑揮發，相關研究成果發表於Optical Materials（2022, 129: 112484）。為提高紅色陶瓷的着色均勻性，研究團隊採用共沉澱法合成了均勻摻雜的Ce:8YSZ納米粉體，並通過兩步燒結技術製備了直線透過率為47.6%@700nm，紅色度為52.0的氧化鋯透明陶瓷。該類紅色氧化鋯透明陶瓷的成功製備，可以拓寬氧化鋯陶瓷在濾光片、信號燈罩等領域的應用。相關研究成果發表於Journal of Inorganic Materials（2022, doi:10.15541/jim20220025）。
（a）氧化鋯陶瓷預燒體和（b）氧化鋯透明陶瓷的SEM微觀形貌，氧化鋯透明陶瓷（厚度4.0mm）的（c）實物圖和（d）直線透過率曲線
紅色氧化鋯透明陶瓷的實物圖和直線透過率曲線
來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所
