ZrO2是无机非行业中一种结构和功能材料，具有高硬度、高熔点、高介电常数、优良的化学稳定性和热稳定性等优良性能。因此，ZrO2被广泛应用于结构陶瓷、功能陶瓷、核技术和生物医学领域。目前，ZrO2的制备方法以碳热还原法为主。使用ZrSiO4作为原料，但是产物中含有碳化硅、ZrC和C等影响ZrO2纯度的杂质，同时产生大量的二氧化碳。

图1 传统工业方法与氢等离子体法制备过程对比

本研究方法使用电弧等离子体炬设备及技术，该设备可以将产生的电弧与气体接触，可以迅速地将电弧能转化为气体的热能。气体电离可以产生高温、电离和导电的热等离子体态，形成温度大于5000℃的气体射流和高强度热源，可以在短时间内加热高熔点材料，如ZrSiO4。与传统的物理方法相比，ZrSiO4在较高的温度下与热等离子体动态接触，大大减少了热解时间。同时，H2作为等离子体气体具有较高的焓值，可以提高等离子体温度。更重要的是，H2是一种还原气体，可以在高温下与ZrSiO4热解产物相互作用。H2可以发挥与碳热还原相同的效果，而不产生不必要的高熔点材料，如碳化硅、ZrC、C等。

图2 等离子体炬热解ZrSiO4反应原理

本研究特色在工作气体中加入H2对所得ZrO2纯度的影响。通过增加工作气体中H2的比例，利用等离子体光谱诊断和测量等离子体火焰中飞行粒子的粒径和温度，研究了H等离子体与ZrSiO4热解反应的相互作用及其对ZrO2纯度的影响。

图3 氢等离子体热解ZrSiO4反应过程

研究结果表明：(1) H等离子体提高了颗粒温度，颗粒温度达到2500-2600℃，产品中的SiO2可以气化而不被保留。另一方面，H等离子体促进了ZrSiO4的不可逆热解。降低了产品中ZrSiO4的比例，从而获得了高纯度的ZrO2；（2） 根据光谱线强度计算，H2的加入会提高等离子体的温度，促进粒子进一步加热。同时，H2的加入会在光谱中增加OH*和SiH*光谱线。同时，随着H2的增加，OH*、Si*、SiH*光谱线的增加率大于SiO*。这验证了H2的加入会减少SiO2（g），而SiO2（g）的消失直接导致ZrSiO4热解的不可逆性，最终得到的产物以ZrO2为主。

以上结果可以为工业上大规模、低碳快速制备高纯度ZrO2提供帮助。

图4 制备现场照片

撰稿：耿传文

核稿：汪大海