中國粉體網(wǎng)訊  氧化鋯是材料領域中具有特殊地位的一種重要的氧化物，具有獨特的物理和化學性質，如高硬度、低的熱傳導性、熔點高、抗高溫和腐蝕、化學惰性和兩性性質，在電子陶瓷、功能陶瓷和結構陶瓷等方面的應用迅速發(fā)展。

陶瓷材料的致命缺點是脆性，低可靠性和低重復性，這些不足嚴重影響了陶瓷材料的應用范圍。因此必須改善氧化鋯陶瓷的斷裂韌性，實現(xiàn)材料強韌化，提高其可靠性和使用壽命。

氧化鋯陶瓷的增韌方式

氧化鋯陶瓷材料實現(xiàn)增韌的基礎是發(fā)生t→m相變，主要機制為：相變增韌、微裂紋增韌和殘余應力增韌。

相變增韌

亞穩(wěn)定四方相t-ZrO₂在裂紋尖端應力場的作用下發(fā)生一相變，形成單斜相，產(chǎn)生體積膨脹，從而對裂紋形成壓應力，阻礙裂紋擴展，起到增韌的作用。這就是著名的Garvie應力誘導相變增韌機理。另外，相變增韌也是可以應用于功能陶瓷的。如：鐵電/壓電性疇轉變增韌機制，在壓電陶瓷材料中，利用使產(chǎn)生裂紋的外應力轉變?yōu)殡娔�，從而達到增韌的目的。

微裂紋增韌

t→m相變伴隨體積膨脹，使得相變區(qū)域形成很多微裂紋。當主裂紋在擴展過程中遇到微裂紋，主裂紋的擴展路徑將改變方向或分叉。此外，主裂紋尖端除由于應力集中而誘發(fā)相變，產(chǎn)生微裂紋，起到分散主裂紋尖端能量的作用，從而提高材料的斷裂韌性。當微裂紋相互獨立時，微裂紋密度越高，增韌效果越好。

殘余應力增韌

陶瓷材料可以通過引入殘余壓應力達到增強韌化的目的。控制含彌散四方相的 ZrO₂顆粒的陶瓷在表層發(fā)生四方相向單斜相的相變，引起表面體積膨脹而獲得表面殘余壓應力。由于陶瓷斷裂往往起始于表面裂紋，表面殘余壓應力有利于阻止表面裂紋的擴展，從而起到增強增韌的效果。尺寸較小的ｔ相粒子相變時，總膨脹應變小，應變能也小，不足以使基體產(chǎn)生微裂紋，那么這些應變能就以殘余應力的形式儲存下來。當主裂紋擴展進入殘余應力區(qū)時，殘余應力釋放，阻礙主裂紋的進一步擴展，這種韌化機制被稱為殘余應力增韌機制。

氧化鋯增韌陶瓷的種類和特點

根據(jù)亞穩(wěn)四方相氧化鋯在應力誘導下的相變增韌作用，氧化鋯相變增韌主要有四方多晶氧化鋯增韌陶瓷(TZP)、部分穩(wěn)定氧化鋯增韌陶瓷(PSZ)、氧化鋯增韌陶瓷(ZTC)。

四方多晶氧化鋯增韌陶瓷

當在氧化鋯中添加適量的穩(wěn)定劑時，可以使t-ZrO₂以亞穩(wěn)定狀態(tài)保存至室溫，其顯微結構特征為結構中四方相氧化鋯細晶占組成的絕大部分，這種陶瓷材料稱之為四方多晶氧化鋯陶瓷。這種陶瓷通常在四方相單相區(qū)內燒結，冷卻過程中不會發(fā)生相變，室溫保留大部分甚至全部四方相，燒結體中四方相氧化鋯的含量往往依賴于燒結體的晶粒尺寸和燒結體的密度，基由燒結溫度和保溫時間控制，常用的YZP材料有Y-TZP、Ce-TZP等。

部分穩(wěn)定氧化鋯增韌陶瓷

當氧化鋯穩(wěn)定劑加入量在某一范圍時，高穩(wěn)定的c-ZrO2通過在適當?shù)臏囟认碌臅r效處理使c-ZrO₂大晶粒析出許多細小紡錘狀的四方相晶粒，形成立方相和四方相的雙相組織結構。其中立方相是穩(wěn)定的，而四方相是亞穩(wěn)定的，并一直保存到室溫。在外力誘導下誘發(fā)t→m相并伴隨體積膨脹，耗散部分能量、抵消了部分外力從而起到了增韌作用，這類陶瓷稱為部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷。

這種陶瓷通常在立方相固溶區(qū)燒結，形成均勻的立方相基體，燒成后經(jīng)過適當?shù)睦鋮s使細的四方相在立方相晶粒間均勻析出。當析出的四方相處于臨界尺寸時，相變增韌的效果最佳，在制備過程中可通過控制熱處理的溫度和時間來獲得特定形貌和尺寸的四方相氧化鋯晶粒。常用的PSZ陶瓷主要有MgO部分穩(wěn)定的氧化鋯增韌陶瓷Mg-PSZ和CaO部分穩(wěn)定的氧化鋯增韌陶瓷Ca-PSZ等。

氧化鋯增韌陶瓷

如果在其他種類陶瓷基體中加入一定量的四方氧化鋯，并使其均勻分散在陶瓷基體中，利用氧化鋯相變增韌機制使陶瓷的韌性得到明顯的改善。這種陶瓷稱為氧化鋯增韌陶瓷。常見的ZTC材料有氧化鋯增韌氧化鋁和氧化鋯增韌莫來石，分別為ZTA、ZTM。

參考資料：

袁明、陳萍華等.氧化鋯陶瓷增韌方法的研究進展

ZrO2的結構、力學性質與應用研究進展

呂戌生.氧化鋯復相陶瓷材料研究

姚嘉煒.氧化鋯陶瓷材料的制備新工藝與組織性能

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