摘要
氧化锆陶瓷因其具有高硬度、高强度、高韧性、耐化学腐蚀性等的优良性能，目前在各领域广泛使用，如模具、刀具、氧传感器、耐火材料、固体燃料电池等。最近几年，随着市场上高档装饰品的飞速发展，人们对高档装饰品材料如表壳、表链、手链、宝石等的需求日益增加，氧化锆陶瓷因其强度高、硬度高、韧性好、折射率高等的优良性能，以及美丽的宝石光泽和安全环保性，受到广泛关注。但目前市场上批量生产的彩色氧化锆陶瓷只有黑色和白色两种，其它颜色的氧化锆陶瓷尚未研究成熟。因此，彩色氧化锆陶瓷的研究开发具有重要的研究意义及市场前景。 本研究首选用喷墨打印高通量的方法快速实现颜色之间的组合。第一部分：通过喷墨打印，实现颜色之间的配伍，其次进行数据分析，找到其中的规律，设计出新的氧化锆染色体系，最后设计氧化锆颜色配比界面，能够针对性选取特定的颜色。第二部分：采用浸渗掺杂技术制备特定颜色的彩色氧化锆陶瓷，选用Co(NO3)2·6H2O，Er(NO3)3·5H2O等带颜色的离子化合物进行染色，探究不同的烧结温度对氧化锆陶瓷色彩学及力学性能的影响。第三部分：根据前面探索的合适烧结条件，通入氢气在不同的温度下进行还原，烧结后分析表征样品的颜色值CIELab、力学性能、光学性能等。主要研究成果如下： （1）由于目前氧化锆陶瓷的色彩还比较少，且没有一个适合的染色体系。在本研究中，我们选用喷墨打印高通量的方法，能够高效快速实现颜色之间的组合。接着在Lab系统内，通过读取106色表中的单一颜色的呈色数据，分析单一的显色离子与呈色之间的关系，并制备出了四种基础色，根据色差值的计算公式ΔE=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]算得理论值与实际样品的差值ΔE值均小于4，结果在可接受范围内。最后设计了新的氧化锆颜色配比体系，通过使用此系统，可以快速、高效、准确知晓每种颜色对应的配置信息，提高实验效率，做好氧化锆陶瓷喷墨打印的色彩管理，最终实现氧化锆陶瓷喷墨打印颜色的所见即所得。 （2）在成功设计出颜色体系的基础上，选取代表性的5种颜色研究了不同的烧结温度对彩色氧化锆的色彩学及力学性能的影响，选择烧结温度为1450℃、1500℃、1550℃，对试样的色彩学及力学性能进行对比分析，实验结果表明，试样在1500℃的烧结温度下烧结可以得到较为致密的彩色氧化锆陶瓷，相对密度可以达到99.7%。彩色氧化锆陶瓷测试条的三点弯曲实验中最高抗弯强度可达到550MPa。在色彩学表征中，我们可以看出烧结后的样品，从明度L值来看，五组的明度均随者温度的升高而略有减小。从色度值a、b来看，随着温度的升高，各种颜色的色度值均发生了改变，粉色和黄色的a、b值随着温度的升高而升高，说明红色成分和黄色成分越来越多，颜色的饱和度增加，颜色变深；紫色和蓝色的a、b值随着温度的升高都呈下降趋势，下降趋势先快后趋于平稳，说明蓝色和绿色的成分均有所增加，颜色向蓝绿色变化并逐渐趋向稳定；淡黄色的a值随着温度的变化并不明显，b值随着温度的升高略有增大，说明黄色值略有增加，样品随着温度的提高略有变黄，结合L、a、b值和力学性能的结果，我们综合选定1500℃的烧结温度。经染色处理的彩色氧化锆陶瓷具有更好的力学性能和色彩学效果，这为彩色氧化锆陶瓷应用于高档装饰品及齿科临床医学提高了可能性。 （3）最后我们对1500℃烧结后的样品通入氢气进行不同温度还原，探讨了不同的还原温度对彩色氧化锆的色彩学及力学性能的影响。结果显示，在1200℃的还原温度下，通入氮氢混合的气体氛围烧结，可以得到致密的彩色氧化锆陶瓷，相对密度可以达到99.5%。彩色氧化锆陶瓷测试条的三点弯曲实验中抗弯强度可达到480MPa。在色彩学表征中，在1200℃时样品的明度最高。色度值a、b随着温度的升高均发生改变，其中，粉色和淡黄色样品的a、b值随着温度的升高而升高，变化较明显，颜色的饱和度增加，颜色变深，淡黄色的变化最为明显，随着温度升高逐渐在1200℃变成亮丽的橘红色，随着温度再升高，颜色逐渐变暗。另外，紫色和蓝色样品的a、b值随着温度的升高都呈下降趋势，下降趋势先快后趋于平稳，说明蓝色和绿色的成分均有所增加，样品逐渐趋向蓝绿色，在1200℃时，样品的色彩饱和度最高。结合Lab值的变化趋势，在1200℃时样品的颜色效果达到最佳。 综上所述，在本文中，我们成功设计出彩色氧化锆的颜色体系，通过对烧结温度的研究得知在1500℃温度下彩色氧化锆的色彩学差异最小，且有相对较高的力学性能。在通入还原气氛时，1200℃的还原温度下烧结能够得到具有相对较好的力学性能和色彩学特性的彩色氧化锆陶瓷，这为彩色氧化锆陶瓷的进一步的工业生产应用提高了可能性，在接下来进一步的研究中，我们需要研究颜色更加丰富的彩色氧化锆陶瓷及其基本性能、色彩学特性，丰富了氧化锆的颜色体系及市场应用。
NETL