中國粉體網(wǎng)訊  氧化鋯陶瓷除了是一種性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷之外，還是一種特殊的功能陶瓷材料，比如，氧化鋯具有獨特的電化學性能，簡單來說就是氧化鋯具有低溫絕緣、高溫導電的特性，這一特性讓氧化鋯在傳感器、固態(tài)電池、無機發(fā)熱體等方面有重要應用。

ZrO₂電學性質(zhì)

無論是純ZrO₂還是摻雜ZrO₂，它們在室溫下均是絕緣體，電阻率大于1010Ω•cm，但其高溫導電性良好，具有負的電阻溫度系數(shù)，1000℃時電阻率為104Ω•cm，1700℃時只有6～7Ω•cm。

圖片來源：方泰新材料

根據(jù)第一原理的計算，在ZrO₂的電子結(jié)構(gòu)中，價帶與導帶的電子軌道能級狀態(tài)是隨晶體結(jié)構(gòu)不同而有電子軌道數(shù)的不同。ZrO₂的價帶為滿帶，而導帶也填充有一定的電子，而造成ZrO₂的室溫絕緣性能主要是由于價帶與導帶之間的帶寬過大所致，在室溫下不可能有導電性能。在摻雜以后，可以在禁帶中形成新的能級(施主能級或受主能級)，使得禁帶寬度減小，但在室溫下仍然沒有導電能力，主要是由于ZrO₂在室溫下的電子遷移率太低所致。因此，無論是高純ZrO₂還是摻雜ZrO₂，在室溫下均表現(xiàn)出高的絕緣性能。

導電性會被無限提高嗎

不會！

德國學者GuoX在一篇綜述中指出，ZrO₂的導電性質(zhì)與電子導電的性質(zhì)不同，以離子導電的ZrO₂材料在一個合適的空位濃度條件下，才能達到最大的離子電導率，而高于最佳空位濃度的基礎(chǔ)上再增加空位就將導致離子電導率的降低。因此，ZrO₂在高溫下的電導率不可能無限制的提高。如納米結(jié)構(gòu)ZrO₂的離子電導下降主要是因為內(nèi)部界面的影響太大，導致離子遷移降低而引起。由于在穩(wěn)定化的ZrO₂中的空間電荷層為2.5nm左右，則只有當納米顆粒的尺寸小于5nm時才會出現(xiàn)直接的量子尺寸效應引起的電子遷移，很顯然這種情況很難大規(guī)模實現(xiàn)。

特殊應用

1、發(fā)熱體

2、氧傳感器

主要應用于高溫環(huán)境中(600～1100℃)的氧氣濃度的檢測，其原理即利用了ZrO₂在高溫下的電導率隨氧分壓有非常敏感變化的特點，主要應用于鋼水中氧含量的檢測。

3、燃料電池中的電極隔膜材料

燃料電池是新興的清潔能源和有可能替代石化能源的一種能量發(fā)生單元。其本質(zhì)是利用氫離子與氧離子發(fā)生反應產(chǎn)生水的過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生能量。在這一過程中，不能使氫氣與氧氣直接接觸燃燒，而要將氫和氧先轉(zhuǎn)變成離子，再發(fā)生離子間的化合。這其中兩大關(guān)鍵的因素就是如何將作為氫源的氫氣、甲烷等轉(zhuǎn)化成氫離子，這需要一定的催化劑。另一個關(guān)鍵因素就是如何將產(chǎn)生的氫離子(H⁺，即質(zhì)子)和氧離子充分利用起來而不使其在電離的同時發(fā)生重新化合，這就需要高效的離子導體和質(zhì)子導體將產(chǎn)生的H+和O^2－快速轉(zhuǎn)移至相互的對側(cè)進行化合，產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。這種高效的離子和質(zhì)子導體即可利用摻雜ZrO₂陶瓷薄片。

參考來源：

[1]歐陽靜等.氧化鋯(ZrO₂)的電、光性質(zhì)與應用

[2]張穎異等.高溫電熱材料的研究發(fā)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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