氧化鋯是一個耐高溫、耐腐蝕、耐磨損而且含有優良導電性能無機非金屬材料，尤其是其優良常溫力學性能及耐高溫、耐腐蝕性能而倍受科研工作者青睞，20世紀20年代初即被應用於耐火材料領域，70年代中期以來，國際上歐美日優異國家競相投入具資研究開發氧化鋯生產技術和氧化鋯系列產品生產，深入將氧化鋯應用領域擴展到結構材料和功效材料，同時氧化鋯也是國家產業政策中激勵關鍵發展高性能新材料之一。
1、ZrO2晶體結構
在高溫下，ZrO2屬於立方螢石型結構，圖1所表示，因為Zr4+直徑大於O2-離子直徑，所以能夠認為，由Zr4+組成面心立方點陣，佔據1/2八面體空隙，O2-離子佔據面心立方點陣全部四個四面體空隙。
圖1
常壓下純氧化鋯有三種晶型，低溫為單斜晶系，密度5.68g/cm3，高溫為四方晶系，密度6.10g/cm3，更高溫度下為立方晶系，密度6.27g/cm3，三種晶型相互間轉化關係以下：
常溫下，ZrO2隻能是單斜相，當用鋯鹽煅燒，達成650℃時，出現穩定四方相，繼續升高時四方相逐步轉變為單斜相，再繼續升溫至830℃時，ZrO2又開始向四方相轉變，至1170℃時，完全轉變為四方相，溫度升至2370℃時轉變為立方相；當溫度降低時，逐步轉化為四方相，到室溫時，變為穩定單斜相。單斜二氧化鋯在830～1200℃轉變較為複雜，會產生滯後現象。正是這種滯後現象，為二氧化鋯在陶瓷及耐火材料應用提供一個關鍵性能。在轉變過程中，會產生對應體積改變，當溫度升高時，由單斜相向四方相轉變時，會使體積收縮5%，而當溫度降低由四方相向單斜相轉變時會使體積膨脹8%，存在3種相結構，其熱膨脹是不一樣。表1為三種晶型氧化鋯晶格常數和密度。
表1純氧化鋯晶格常數和密度
2、氧化鋯性質和在耐火材料中作用
在氧化物製品系統中ZrO2含有很多優良特徵，如熔點高(2700℃)，高溫結構強度大(2000℃荷重200Kpa，能保持0.5~1小時才能產生變形)，化學穩定性良好，不管對酸和鹼或玻璃全部有很高化學惰性，不易被液態金屬潤溼，所以也含有高金屬穩定性，(對很多熔融金屬甚至活性很強IV、V、VI族金屬均含有良好抗蝕性)，高溫蒸汽壓和分解壓均較低，含有比Al2O3和MgO低揮發性。
ZrO2比Al2O3和MgO對真空含有更高穩定性，能夠用鋯和氧有大結合強度來解釋。ZrO2中Zr-O鍵斷裂能為757.8kJ/mol，但Mg-O鍵為481.5kL/mol，而Al-O鍵為418.7kJ/mol。鋯對氧親和力和Zr-O鍵強解釋了比氧化鎂和氧化鋁有高金屬穩定性和和碳素鋼及脫碳鋼低相互作用。所以能夠認為ZrO2能夠滿足高溫、高真空冶煉很多純金屬和合金所需技術要求，是未來冶金關鍵耐火材料。表2為含ZrO2耐火材料關鍵性能。
表2含ZrO2耐火材料關鍵性能
氧化鋯在耐火材料中作用：
(1)良好化學穩定性，延長Fe等金屬離子對耐火材料侵蝕；
(2)改善材料性能，提升耐火材料製品熱穩定性；
(3)可依據複合項不一樣性能，優選生產工藝，提升耐火材料製品性能和降低生產成本；
(4)複合物高熔溫度，較高低熔混合物生產溫度。
3、ZrO2材料穩定化
因為二氧化鋯單斜型和四方型之間可逆轉變伴有體積效應。造成耐火材料燒成時輕易開裂，所以單用純氧化鋯就極難製造出燒結而又不開裂製品。假如在氧化鋯中加入適量CaO、MgO、Y2O3、Nb2O3、CeO2、ScO3等陽離子半徑和Zr4+離子半徑相差在12%以內氧化物，經高溫處理後就能夠得到從室溫直至2000℃一下全部穩定立方型氧化鋯固溶體，從而消除了在加熱或冷卻過程中因相變引發體積效應，避免含氧化鋯製品開裂。上述加入氧化物成為穩定劑。經過這種穩定處理氧化鋯稱為穩定二氧化鋯，製備穩定二氧化鋯過程稱為二氧化鋯穩定化。
廣泛採取穩定劑有CaO和MgO及其混合物，其中CaO較有效，MgO次之。CaO加入量通常為3~8%或更多(按質量計)。ZrO2-MgO系立方固溶體在長時間加熱處理(1000~1400℃)後會發生分解，造成製品破壞。ZrO2-CaO系立方固溶體雖較穩定，但長時間加熱亦會發生部分分解，而使ZrO2失去穩定作用。ZrO2-Y2O3固溶體和其它ZrO2固溶體相比最關鍵優點是在1100~1400℃長時間加熱不發生分解，但這類氧化物稀缺，價格昂貴，只能局限於一些特殊要求地方使用。最近研究了多個複合劑，如ZrO2-MgO和ZrO2-CaO固溶體中加入1~2%Y2O3即可顯著提升其熱震穩定性。加入3~5%Y2O3能夠使固溶體完全不分解，而且有很高機械強度和較低熱膨脹係數。
全穩定ZrO2最大缺點是熱膨脹係數高，抗熱震性差。部分穩定二氧化鋯能有效改善其抗熱震性。其原理在於當穩定劑加入量較少時，只有一部分ZrO2和穩定劑生成了固溶體，由高溫冷卻到常溫時，仍有一部分ZrO2發生相變，由立方相或四方相轉化為單斜相，並伴隨發生一定體積改變。因為此體積改變較小，而且由穩定劑加入量所控制，所以不會造成製品燒結體破壞。相反，由此體積改變可在制品燒結體內產生一定量顯微裂紋，這種顯微裂紋在材料受到熱應力作用時，能起到吸收裂紋擴展能量作用，抑制了裂紋擴展，提升了材料抗熱震能力。所以，部分穩定二氧化鋯較之全穩定二氧化鋯含有更廣泛用途。部分穩定二氧化鋯穩定化程度以穩定化率來表示：
穩定化率=(立方相+四方相)/(立方相+四方相+單斜相)