氧化锆砂的表面改性技术及其效果评估

前阵子去一个做陶瓷轴承的厂里转悠，技术科长拉着我看他们新进的一批氧化锆砂，说这料硬度够、耐磨性好，就是跟树脂结合剂"不亲"，做出来的砂轮老是掉颗粒。我一听就乐了：这不就是典型的"料是好料，就是不合群"嘛。氧化锆砂这东西，硬度高、韧性好、耐高温，在磨料行业里算是"硬汉"角色。但正因为太"硬汉"，表面惰性强，跟有机粘结剂、涂料这些东西往往处不来。怎么办?就得给它"做做思想工作"——也就是表面改性。

一、为啥要改?不改会怎样?

先说明白话，氧化锆砂不改性，直接用的后果往往是：分散不均匀、结合不牢固、性能打折扣。比如做树脂砂轮，氧化锆颗粒表面是亲水疏油的，跟树脂根本尿不到一个壶里，混料时容易"抱团"，成型后磨粒一受力就整颗脱落，不是磨耗掉的，是"掉"下来的。再比如做涂料添加剂，不改性的氧化锆在溶剂里沉底比什么都快，喷出来的涂层厚一块薄一块。所以，所谓表面改性，说白了就是给这"硬汉"表面穿一件"马甲"，让它能跟周围的"邻居"好好相处。

二、怎么改?主流手段有哪些?

这些年跑下来，我见过的氧化锆表面改性方法，大概能分成三类：穿衣服、刻花纹、换肤色。

第一类：穿衣服——包覆改性

这是最常用的一招。用硅烷偶联剂给氧化锆颗粒表面"穿"上一层有机分子外衣。具体操作就像给鸡蛋裹面糊：把氧化锆粉泡在偶联剂溶液里，控制温度、时间，让偶联剂分子一头"抓"住氧化锆表面，另一头伸出来等着跟树脂结合。哈工大早些年做过实验，用KH-570硅烷偶联剂，在80℃反应2小时，改性后的氧化锆在丙酮里分散得那叫一个匀，活化率能到42%。还有更高级的穿法——包氧化硅。先用溶胶-凝胶法在氧化锆表面裹一层硅，再用偶联剂修饰，相当于穿了两件衣服。东华大学做过测试，这种双层改性的氧化锆加到牙科粘结剂里，2%的添加量就能让粘结强度干到31.6兆帕，比不加的提高一大截。

第二类：刻花纹——表面粗化

有时候氧化锆需要跟其他材料"机械咬合"，光靠化学结合不够，得在表面刻出花纹来。传统手段是喷砂，用50微米左右的氧化铝颗粒对着表面一顿喷，喷出粗糙度来。但这招有个毛病：喷太狠了，会把氧化锆的晶体结构打出内伤。研究表明，喷砂处理后氧化锆表面单斜相含量能达到22%-52%，这玩意儿意味着内部应力大，时间长了容易开裂。这两年新出的招是激光刻蚀。温州医科大学做过实验，用皮秒激光在氧化锆表面刻出蜂窝状、网格状的图案，剪切粘结强度能到26.8兆帕，是没处理过的7倍多，而且不会引起晶相转变。这就像用精雕刀刻花，只动表皮不动筋骨。还有选择性渗透蚀刻、Nobelbond技术，都是在表面造出微孔，让树脂能钻进去"锚住"。

第三类：换肤色——化学转化

这招比较狠，直接把氧化锆表面变成另一种东西。瑞士斯沃琪集团有个专利，在高温下用含碳或氮的气氛处理氧化锆，让表面生成一层碳化锆或氮化锆，厚度也就10-500纳米。这一层颜色跟本体不一样，耐磨性还更好，用在手表壳上既能装饰又能防护。还有一种叫玻璃陶瓷喷涂沉积，在氧化锆表面喷一层玻璃陶瓷，然后氢氟酸腐蚀出蜂窝状结构，也能大幅提高粘结耐久性。

三、效果怎么评?不能光看"粘得牢不牢"

改性做完了，怎么知道效果好不好?不能光看"能不能粘住"，得从几个维度综合评估。一是看分散性。最简单的方法：把改性前后的粉分别倒进溶剂里搅一搅，静置半小时，看沉降速度。改性好的能悬浮半天，改不好的十分钟就沉底。这叫"亲油化度测试"，数值越高说明表面有机化越彻底。

二是看结合强度。做树脂复合材料的话，直接测力学性能。哈工大做的PMMA/氧化锆复合材料，改性后硬度随氧化锆含量增加而提高，范围从0.5GPa到1.3GPa。做粘结剂的话，测剪切强度，前面说的31.6兆帕就是硬指标。三是看界面微观结构。用扫描电镜看断面，改性好的，颗粒埋在树脂里拔不出来，断的是树脂本身;改性不好的，颗粒光溜溜地躺在断面上，说明是界面脱粘。

四是看耐久性。光粘得牢还不够，得看老化以后还牢不牢。有人做热循环测试(冷热交替1万次)，发现喷砂+MDP树脂的组合强度掉了35%，而玻璃陶瓷喷涂法只掉了11%。这就说明后者耐久性更好。五是看晶相变化。氧化锆最怕从四方相变成单斜相，这会导致微裂纹。用X射线衍射测一下改性前后的相组成，单斜相含量越低，改性工艺越"温柔"。

四、怎么选?看用途定方案

最后说句实在话：没有最好的改性方法，只有最适合的。做树脂砂轮、磨具：重点考虑硅烷偶联剂包覆，让颗粒跟树脂"亲"起来。做牙科修复、粘结：激光刻蚀或选择性蚀刻，既要机械锁合又要化学结合。做涂料、复合材料填料：氧化硅包覆+偶联剂修饰，分散性和结合力兼顾。做装饰、防护涂层：碳化/氮化处理，表面硬度和颜值双提升。

氧化锆砂这材料，天生是好料，但就是有点"高冷"。表面改性，说白了就是帮它融入社会、发挥价值。这些年在厂里见得多了，越来越觉得：材料本身决定下限，表面处理决定上限。有时候客户抱怨产品不好用，不一定料有问题，可能就是缺了那层"马甲"。希望今天聊的这些，能给搞技术的同行们多几个琢磨的方向。