【原創】低溫絕緣，高溫導電，這一特性讓氧化鋯大有作為

中國粉體網訊  氧化鋯陶瓷除了是一種性能優良的結構陶瓷之外，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、固態電池、無機發熱體等方面有重要應用。

ZrO₂電學性質

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，1000℃時電阻率為104Ω•cm，1700℃時只有6～7Ω•cm。

圖片來源：方泰新材料

根據第一原理的計算，在ZrO₂的電子結構中，價帶與導帶的電子軌道能級狀態是隨晶體結構不同而有電子軌道數的不同。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的導電性質與電子導電的性質不同，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。如納米結構ZrO₂的離子電導下降主要是因為內部界面的影響太大，導致離子遷移降低而引起。由于在穩定化的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模實現。

特殊應用

1、發熱體

2、氧傳感器

主要應用于高溫環境中(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生單元。其本質是利用氫離子與氧離子發生反應產生水的過程中發生的電荷轉移而產生能量。在這一過程中，不能使氫氣與氧氣直接接觸燃燒，而要將氫和氧先轉變成離子，再發生離子間的化合。這其中兩大關鍵的因素就是如何將作為氫源的氫氣、甲烷等轉化成氫離子，這需要一定的催化劑。另一個關鍵因素就是如何將產生的氫離子(H⁺，即質子)和氧離子充分利用起來而不使其在電離的同時發生重新化合，這就需要高效的離子導體和質子導體將產生的H+和O^2－快速轉移至相互的對側進行化合，產生穩定的電流。這種高效的離子和質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、光性質與應用

[2]張穎異等.高溫電熱材料的研究發展

（中國粉體網編輯整理/山川）

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