中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氧化鋯是材料領(lǐng)域中具有特殊地位的一種重要的氧化物，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高硬度、低的熱傳導(dǎo)性、熔點(diǎn)高、抗高溫和腐蝕、化學(xué)惰性和兩性性質(zhì)，在電子陶瓷、功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷等方面的應(yīng)用迅速發(fā)展。

陶瓷材料的致命缺點(diǎn)是脆性，低可靠性和低重復(fù)性，這些不足嚴(yán)重影響了陶瓷材料的應(yīng)用范圍。因此必須改善氧化鋯陶瓷的斷裂韌性，實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)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(shí)現(xiàn)增韌的基礎(chǔ)是發(fā)生t→m相變，主要機(jī)制為：相變?cè)鲰g、微裂紋增韌和殘余應(yīng)力增韌。

相變?cè)鲰g

亞穩(wěn)定四方相t-ZrO₂在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)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(duì)裂紋形成壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展，起到增韌的作用。這就是著名的Garvie應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g機(jī)理。另外，相變?cè)鲰g也是可以應(yīng)用于功能陶瓷的。如：鐵電/壓電性疇轉(zhuǎn)變?cè)鲰g機(jī)制，在壓電陶瓷材料中，利用使產(chǎn)生裂紋的外應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，從而達(dá)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(dāng)主裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中遇到微裂紋，主裂紋的擴(kuò)展路徑將改變方向或分叉。此外，主裂紋尖端除由于應(yīng)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(dāng)微裂紋相互獨(dú)立時(shí)，微裂紋密度越高，增韌效果越好。

殘余應(yīng)力增韌

陶瓷材料可以通過(guò)引入殘余壓應(yīng)力達(dá)到增強(qiáng)韌化的目的�？刂坪瑥浬⑺姆较嗟� 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(yīng)力。由于陶瓷斷裂往往起始于表面裂紋，表面殘余壓應(yīng)力有利于阻止表面裂紋的擴(kuò)展，從而起到增強(qiáng)增韌的效果。尺寸較小的ｔ相粒子相變時(shí)，總膨脹應(yīng)變小，應(yīng)變能也小，不足以使基體產(chǎn)生微裂紋，那么這些應(yīng)變能就以殘余應(yīng)力的形式儲(chǔ)存下來(lái)。當(dāng)主裂紋擴(kuò)展進(jìn)入殘余應(yīng)力區(qū)時(shí)，殘余應(yīng)力釋放，阻礙主裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，這種韌化機(jī)制被稱(chēng)為殘余應(yīng)力增韌機(jī)制。

氧化鋯增韌陶瓷的種類(lèi)和特點(diǎn)

根據(jù)亞穩(wěn)四方相氧化鋯在應(yīng)力誘導(dǎo)下的相變?cè)鲰g作用，氧化鋯相變?cè)鲰g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(dāng)在氧化鋯中添加適量的穩(wěn)定劑時(shí)，可以使t-ZrO₂以亞穩(wěn)定狀態(tài)保存至室溫，其顯微結(jié)構(gòu)特征為結(jié)構(gòu)中四方相氧化鋯細(xì)晶占組成的絕大部分，這種陶瓷材料稱(chēng)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(nèi)燒結(jié)，冷卻過(guò)程中不會(huì)發(fā)生相變，室溫保留大部分甚至全部四方相，燒結(jié)體中四方相氧化鋯的含量往往依賴(lài)于燒結(jié)體的晶粒尺寸和燒結(jié)體的密度，基由燒結(jié)溫度和保溫時(shí)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(dāng)氧化鋯穩(wěn)定劑加入量在某一范圍時(shí)，高穩(wěn)定的c-ZrO2通過(guò)在適當(dāng)?shù)臏囟认碌臅r(shí)效處理使c-ZrO₂大晶粒析出許多細(xì)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(jié)構(gòu)。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(dǎo)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(lèi)陶瓷稱(chēng)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(jié)，形成均勻的立方相基體，燒成后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)睦鋮s使細(xì)的四方相在立方相晶粒間均勻析出。當(dāng)析出的四方相處于臨界尺寸時(shí)，相變?cè)鲰g的效果最佳，在制備過(guò)程中可通過(guò)控制熱處理的溫度和時(shí)間來(lái)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(lèi)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?cè)鲰g機(jī)制使陶瓷的韌性得到明顯的改善。這種陶瓷稱(chēng)為氧化鋯增韌陶瓷。常見(jiàn)的ZTC材料有氧化鋯增韌氧化鋁和氧化鋯增韌莫來(lái)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(jìn)展

ZrO2的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用研究進(jìn)展

呂戌生.氧化鋯復(fù)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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