老李在陶瓷廠干了一輩子，退休前最愛(ài)念叨的就是："別看氧化鋯白白凈凈的，這玩意兒可比氧化鋁難伺候多了。"這話我起初不太理解，直到自己開(kāi)始研究材料學(xué)，才明白氧化鋯這個(gè)"陶瓷界的叛逆小子"確實(shí)有著獨(dú)特的脾氣和魅力。記得第一次在實(shí)驗(yàn)室制備氧化鋯，溫度控制稍有不慎，整個(gè)批次的晶體結(jié)構(gòu)就全亂了。導(dǎo)師當(dāng)時(shí)苦笑著說(shuō)："氧化鋯就像個(gè)有才華的藝術(shù)家，你得順著它的性子來(lái)。"這句話我一直記著，因?yàn)殡S著研究的深入，越發(fā)覺(jué)得這個(gè)比喻再恰當(dāng)不過(guò)。

先說(shuō)制備方法：看似簡(jiǎn)單，實(shí)則精妙

氧化鋯的制備方法很多，但歸根結(jié)底都要從鋯英石說(shuō)起。這玩意兒是主要的鋯礦，得先用水冶法提取出氫氧化鋯，再經(jīng)過(guò)煅燒才能得到氧化鋯。聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但每個(gè)環(huán)節(jié)都暗藏玄機(jī)。最常見(jiàn)的是共沉淀法。先把氧氯化鋯溶解，然后慢慢滴加氨水，看著白色沉淀一點(diǎn)點(diǎn)生成，這個(gè)過(guò)程特別考驗(yàn)?zāi)托?。滴太快了顆粒會(huì)不均勻，滴太慢了又容易團(tuán)聚。我們實(shí)驗(yàn)室的小王曾經(jīng)為了掌握最佳滴加速度，連續(xù)熬了三個(gè)通宵。

水熱法這幾年挺火。把前驅(qū)體溶液放進(jìn)高壓反應(yīng)釜里，在高溫高壓下反應(yīng)。這個(gè)方法得到的粉末顆粒均勻，活性也高，就是設(shè)備貴了點(diǎn)。記得第一次用水熱反應(yīng)釜時(shí)，我緊張得手心冒汗，生怕壓力控制不好出問(wèn)題。還有一個(gè)有意思的方法是溶膠-凝膠法。這個(gè)方法的精髓在于"慢"字，要讓溶液慢慢變成凝膠，再慢慢干燥。急不得，一急就前功盡棄。有個(gè)師兄曾經(jīng)想走捷徑加快干燥速度，結(jié)果得到的粉末硬得能劃玻璃，完全沒(méi)法用。

最近流行的是綠色制備方法。比如用生物模板法，拿植物的根莖葉當(dāng)模板來(lái)制備多孔氧化鋯。這方法環(huán)保是環(huán)保，就是成功率不高。我們?cè)囘^(guò)用藕節(jié)做模板，十次里能成功兩三次就不錯(cuò)了。

再來(lái)說(shuō)說(shuō)物理性質(zhì)：多變善變，令人著迷

氧化鋯最神奇的地方在于它的多晶型現(xiàn)象。常溫下是單斜相，加熱到1170℃就變成四方相，再到2370℃又變成立方相。冷卻時(shí)又會(huì)變回來(lái)，但這個(gè)過(guò)程中伴隨著體積變化，弄得不好就會(huì)開(kāi)裂。它的力學(xué)性能堪稱陶瓷中的"扛把子"。斷裂韌性特別高，是氧化鋁的兩倍還多。所以特別適合做陶瓷刀、模具這些需要耐用的東西。我家用的陶瓷刀就是氧化鋯的，用了三年還跟新的一樣鋒利。

熱性能也很出色。熱膨脹系數(shù)和金屬接近，所以可以和金屬封接。導(dǎo)熱系數(shù)低，是很好的隔熱材料。航天飛機(jī)的隔熱瓦里就用到了氧化鋯，再入大氣層時(shí)能抗住上千度的高溫。電學(xué)性質(zhì)更有意思。常溫下是絕緣體，高溫下又變成離子導(dǎo)體。這個(gè)特性讓它成了固體氧化物燃料電池的首選材料。我第一次測(cè)到這個(gè)現(xiàn)象時(shí)，簡(jiǎn)直不敢相信自己的眼睛。

光學(xué)性能也不差。高純度的氧化鋯是白色的，摻點(diǎn)釔就變成透明的了。人造寶石行業(yè)經(jīng)常用它來(lái)做鉆石替代品，肉眼幾乎分不出真假。我媳婦的戒指上就鑲著一顆氧化鋯"鉆石"，戴了五年都沒(méi)人看出來(lái)。

應(yīng)用領(lǐng)域：從日常到高科技，無(wú)處不在

氧化鋯的應(yīng)用廣得驚人。最常見(jiàn)的可能是陶瓷刀了，鋒利又不生銹，還不會(huì)串味。牙科種植體也是個(gè)大市場(chǎng)，氧化鋯牙齒既美觀又耐用。我家老爺子種的牙就是氧化鋯的，用了快十年了還好好的。電子行業(yè)用量很大，特別是做氧傳感器和固態(tài)電池。汽車尾氣檢測(cè)用的就是氧化鋯氧傳感器，這玩意兒雖然小，但技術(shù)含量很高。我們?cè)?jīng)拆解研究過(guò)一個(gè)，里面的結(jié)構(gòu)精巧得讓人嘆為觀止。

醫(yī)療行業(yè)更是離不開(kāi)它。除了假牙，還有人造關(guān)節(jié)、手術(shù)刀等等。生物相容性好，不會(huì)引起排異反應(yīng)。我認(rèn)識(shí)的一個(gè)骨科醫(yī)生說(shuō)，現(xiàn)在做關(guān)節(jié)置換，首選就是氧化鋯材料。航空航天領(lǐng)域用量雖然不大，但很關(guān)鍵。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱障涂層、航天器的隔熱瓦都要用到它。聽(tīng)說(shuō)最新型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)里，氧化鋯涂層的厚度已經(jīng)能做到微米級(jí)了。

未來(lái)展望：挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存

氧化鋯研究現(xiàn)在面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)：首先是成本問(wèn)題，高純度的氧化鋯還是太貴。其次是穩(wěn)定性，雖然通過(guò)添加穩(wěn)定劑可以解決相變問(wèn)題，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性還需要提高。納米氧化鋯是研究熱點(diǎn)。顆粒做到納米級(jí)后，很多性質(zhì)都會(huì)提升。比如納米氧化鋯的燒結(jié)溫度可以降低200℃左右，這能省下不少能源。我們實(shí)驗(yàn)室正在做的項(xiàng)目就是開(kāi)發(fā)低溫?zé)Y(jié)工藝。

復(fù)合材料也是個(gè)方向。氧化鋯和其他材料復(fù)合，往往能取長(zhǎng)補(bǔ)短。比如和氧化鋁復(fù)合，既能保持高韌性，又能提高硬度。這個(gè)思路雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。綠色制備是必然趨勢(shì)?，F(xiàn)在的制備方法或多或少都有污染，開(kāi)發(fā)環(huán)保工藝是當(dāng)務(wù)之急。我們嘗試過(guò)用超臨界流體法，效果不錯(cuò)，就是設(shè)備投入大了點(diǎn)。智能氧化鋯可能是下一個(gè)突破口。比如開(kāi)發(fā)能感應(yīng)溫度或應(yīng)力變化的氧化鋯材料，用在智能設(shè)備上。這個(gè)想法聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)科幻，但已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里初見(jiàn)成效了。

總之，氧化鋯這個(gè)材料就像個(gè)充滿驚喜的寶盒，每次打開(kāi)都有新發(fā)現(xiàn)。從制備到應(yīng)用，每個(gè)環(huán)節(jié)都充滿挑戰(zhàn)，也充滿樂(lè)趣。作為科研人員，最開(kāi)心的莫過(guò)于看到自己的研究成果能轉(zhuǎn)化成實(shí)際應(yīng)用。還記得第一次看到自己制備的氧化鋯粉末用在牙科種植體上時(shí)，那種成就感至今難忘。也許這就是材料的魅力所在——看似冰冷的粉末背后，連接著真實(shí)的生活和鮮活的人。