氧化锆相变增韧陶瓷

氧化铝陶瓷具有优良的化学稳定性、机械性能以及电性能，在陶瓷材料中属于应用十分广泛的类型，但是其断裂韧性仅在2.5MPa ·m 1/2～4.5MPa ·m 1/2，所以其应用范围的拓展受到严重限制，由此，提升氧化铝陶瓷的断裂韧性成为行业内的研究重点之一。

当前可以应用于其中的方法较多，主要包括引入第二相、加入Al 2O 3籽晶和形成缺陷分布三种方式，从整体上来看，应用价值最高的方式为氧化锆增韧，即采用机械混合法、溶胶-凝胶法等方式，将氧化锆复合于氧化铝粉体中，再进行相应的处理，可以获取氧化铝陶瓷，使氧化锆晶粒可填充与氧化铝晶界处，从而起到提升氧化铝陶瓷断裂韧性的作用，也就可以进一步提升氧化锆增韧氧化铝陶瓷的使用效果和使用价值。

氧化锆增韧氧化铝陶瓷也可被称为ZTA 陶瓷，其熔点高、硬度高，并且耐酸碱腐蚀，同时具有韧性较强的优势，属于高温结构陶瓷中具有较大应用潜力的一类。

其中的氧化锆含量在10%～20%之间时，可以起到抑制晶体生长氧化铝酸性的作用，也就可以起到提升材料硬度的作用。

特别是若氧化锆含量处于12%～14%之间时，ZTA 陶瓷的硬度和强度均能上升至最大值，如果氧化锆粉末含量为20%，并且其呈高度分散状态，经过热压烧结处理以后，ZTA陶瓷的机械性能将达到最好状态。

对陶瓷断裂韧性产生影响的因素可以通过公式（1）进行体现：（1）在公式（1）当中，为陶瓷材料断裂韧性，其与弹性模量E、泊松比v 以及断裂表面能均具有密切关联性，弹性模量以及泊松比均属于非显微结构敏感参数，所以需要借助提升断裂表面能的方式提升材料断裂韧性。

而能够影响陶瓷材料表面的因素较多，主要包括热力学自由表面能、内应力与裂纹、气孔、塑性形变、相变、晶粒尺寸等多个方面。

从断裂力学的视角来看，可以采用增加自由表面能的方式，促使新生表面形成，同时也可起到缩减晶粒尺寸、缩减气孔率的作用，还可应用适当的应力促进相变，并形成微裂纹，从而起到提升陶瓷材料断裂韧性的作用。

一文认识氧化锆陶瓷的增韧方法及应用
氧化锆陶瓷是具有独特的物理和化学性质，如高硬度，低的热传导性，熔点高，抗高温和腐蚀，化学惰性和两性性质，在电子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等方面的应用迅速发展。

作为特种陶瓷材料在电子、航天、航空和核工业等高新技术领域具有广阔的应用前景。

然而氧化锆陶瓷材料的致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了其应用范围。

只有改善氧化锆陶瓷的断裂韧性，实现材料强韧化，提高其可靠性和使用寿命，才能使氧化锆陶瓷真正地成为一种广泛应用的新型材料，因此，氧化锆陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。

 一、陶瓷的增韧方法
 目前，陶瓷的增韧方法主要有：相变增韧、颗粒增韧、纤维增韧、自增韧、弥散韧化、协同增韧、纳米增韧等。

 1、相变增韧
 相变增韧是指亚稳定四方相t—ZrO2在裂纹尖端应力场的作用下发生一相变，形成单斜相，产生体积膨胀，从而对裂纹形成压应力，阻碍裂纹扩展，起到增韧的作用。

此外，外界条件（如激光冲击、疲劳断裂韧性、低温、晶粒尺寸和含量、临界转变能量等）对氧化锆陶瓷相变增韧有很大的影响，如果相变产生大的应力和体积变化，则产品容易断裂，因此生产过程中，应避免外界因素对氧化锆陶瓷相变增韧的影响。

 2、颗粒增韧
 颗粒增韧是指用颗粒做增韧剂，添加入ZrO2陶瓷粉体中，尽管效果不及晶须与纤维，但若颗粒种类、粒径、含量和基体材料选择得当，仍有一定。

氧化锆相变增韧
氧化锆相变增韧是一种新的陶瓷增强技术，通过氧化锆的相变来增强其韧性。

氧化锆是一种高温材料，由于其硬度高、耐磨性好等优点而受到广泛应用。

然而，氧化锆的脆性限制了其在某些应用领域的使用。

为了克服氧化锆脆性的问题，研究者们采用了相变增韧技术。

相变增韧指的是材料在相变时发生晶格畸变，从而引起局部应变和应力，使材料增加韧性的现象。

具体地，氧化锆的相变包括正交相到单斜相的相变和单斜相到立方相的相变。

利用相变增韧技术可以提高氧化锆的韧性，同时保持其它性能不变。

这种增韧技术具有简单易行、经济实用等优点，并且可以应用于制备氧化锆陶瓷复合材料
等材料。

相变增韧技术的发展将会推动氧化锆材料在高端应用领域的发展。

打不破摔不烂的纳米二氧化锆陶瓷《万景纳米科技》二氧化锆在大自然中存在于锆英砂中。

在不同的温度范围内，二氧化锆呈现出不同的晶体结构：从室温到１１７０℃为单斜结构，１１７０-２３７０℃为四方结构，２３７０-２７０６℃为立方结构。

这三种结构的氧化锆，比重分别为５.６８、６.１０和６.２７。

可见温度越高，比重越大。

因此，在同样重量下，温度越低，体积越大。

二氧化锆从四方结构冷却到单斜结构时会有８％的体积膨胀。

为避免氧化锆陶瓷在烧成时因体积变化引起开裂，须加入适量的氧化钇作为稳定剂，以形成较稳定的四方或立方结构氧化锆。

这种钇稳定的二氧化锆陶瓷具有高耐火性能耐２０００℃高温、良好的化学稳定性高温时能抗酸性腐蚀、较小的比热和导热系数，因此是理想的高温绝热材料。

它适宜制造冶炼金属与合金用的坩埚、连续铸锭用的耐火材料、耐２０００℃左右高温的电炉发热体和炉膛耐火材料，它还可用来作为氧浓差电池以及磁流体发电机组中的高温电极材料。

在克服陶瓷的脆性进程中，纳米二氧化锆相变增韧陶瓷非常令人瞩目，它正在改变着人们对陶瓷力学性能的传统看法，促进了先进陶瓷的进一步发展。

二氧化锆相变增韧陶瓷是利用氧化锆由四方结构向单斜结构转变时的效应来克服陶瓷脆性的。

二氧化锆相变增韧陶瓷有多种类型。

其中有一种称为部分稳定氧化锆陶瓷，是在二氧化锆中加入适当的稳定剂而形成的。

它由稳定的立方结构氧化锆和亚稳定的四方结构氧化锆所组成。

在外应力作用下，亚稳定的四方结构转变为单斜结构，且伴随着体积膨胀，从而起到增韧作用。

目前杭州万景新材料有限公司，利用均匀共沉淀方法获得纳米二氧化锆（VK-R30Y3 30nm）超微颗粒其直径仅30纳米，可在较低温度下烧结成具有微细结构的四方结构氧化锆陶瓷晶粒尺寸在１微米以下。

这种陶瓷具有高强度和高断裂韧性，适用于制造拉丝模、导辊、工夹具、刀具、耐磨部件等。

还有一种氧化锆增韧陶瓷，它是在其它陶瓷中引入纳米二氧化锆，从而达到增韧的效果。

简析氧化锆的相变增韧机理
四方氧化锆具有高的断裂韧性、强度、硬度和耐磨性等特点，显示出优良的机械性能和塑性。

因此推动了氧化锆材料在结构陶瓷突飞猛进的应用和发展，被认为是最有发展前景的新型结构材料。

而氧化锆的相转变特性，则是氧化锆能被应用作结构陶瓷和功能陶瓷的理论依据。

 图1氧化锆陶瓷结构件示例
 一、氧化锆的相变过程
 氧化锆是一个多相体系，受温度的影响历经三个相系：单斜、四方和立方，但又是可逆的相转变过程，常温下只有单斜相稳定。

 升温收缩，降温膨胀
 升温时ZrO2由单斜向四方转化，吸收热量，有明显的体积收缩（5%），而降温时（四方向单斜转化）产生体积膨胀（8%），这是造成ZrO2陶瓷的龟裂的原因。

 图2三种氧化锆晶型
 升温过程，冷却过程
 升温时ZrO2由单斜向四方转化，由于吸收热量，有明显的体积收缩（5%），而降温时（四方向单斜转化）产生体积膨胀（8%），这是造成ZrO2陶瓷的龟裂的原因。

ZrO2由单斜开始向四方相转化，转化温度通常在1100～1200℃之间（1163℃）。

 但在冷却时，t-ZrO2转变为m-ZrO2时由于m-ZrO2新相晶核形成困难，因而转变温度在850～1000℃之间（930℃），这个转变是一个非热过程，说明ZrO2在晶相转变时会出现温度滞后现象（在一个温度范围内进行）。

19中国粉体工业 2021 No.2氧化锆增韧氧化铝陶瓷的研究现状国运之/文【摘要】由于氧化铝陶瓷具有耐磨、耐高温、耐酸碱、硬度高等特点，而且还具有优异的电性能和化学稳定性，故而氧化铝陶瓷材料也成为了一种应用最为广泛的陶瓷材料之一。

然而，由于氧化铝陶瓷存在断裂韧度差、脆性大的缺点，使其应用范围受到一定的限制。

而氧化锆具有好的断裂韧性，其可以通过相变增韧来提高材料的力学性能，于是研究者们提出用氧化锆增韧氧化铝陶瓷的思路，多年来也进行了实践并得到了广泛的应用。

【关键词】氧化锆；氧化铝陶瓷；增韧；ZTA；制备方法1.ZTA 陶瓷粉体的制备方法Al 2O 3陶瓷以其高强度、高硬度、高耐磨、抗氧化及抗热震等优异性能，在机械、电子、化工等领域得到广泛应用[1]。

纯Al 2O 3陶瓷的高温性能好，但韧性不足，抗冲击能力差，切削时易发生轻微崩刃，通过在Al 2O 3基体中添加增韧材料，可明显改善这一现象[2]。

在ZTA 陶瓷中，Al 2O 3基体上均匀弥散分布着ZrO 2粒子，随着温度的变化，ZrO 2粒子发生相变，这种相变属于马氏体相变，会相应的产生体积膨胀和切应变，导致张应力和微裂纹的形成。

某些小尺寸的ZrO 2粒子在张应力的作用下产生微裂纹，这些裂纹局限在小尺寸晶粒中，其萌生和扩展等都会消耗外应力场的能量，进而提高Al 2O 3陶瓷的韧性和强度[3，4]。

ZTA 陶瓷的制备工艺主要包括ZrO 2/Al 2O 3复合粉体的制备、坯体成型及烧结等工序。

要制备性能优异的氧化锆增韧氧化铝陶瓷，获得优质的ZrO 2/Al 2O 3复合粉体是重要前提[5]。

氧化锆增韧氧化铝陶瓷复合粉体的2.氧化锆增韧氧化铝陶瓷成型粉体的成型可分为干法成型和湿法成型。

干法成型又包括传统干压成型、等静压成型等[5]。

传统干压成型可使粉体成为一个较低密度素坯，也可压碎粉体间的软团聚，而等静压成型（常用的是冷等静压），它是以液体作为压力传递介质，素坯可以更加均匀的受压，冷等静压成型主要是为了使素坯获得更大的致密度，从而将坯体在高压下再次成型以得到密度高、气孔小、均匀性好的坯体。

氧化锆增韧氧化铝陶瓷的原理
氧化锆增韧氧化铝陶瓷的原理是将少量的氧化锆（通常为10-30%）添加到氧化铝陶瓷中，通过氧化锆的相变和晶格拘束效应来增强其韧性和强度。

氧化锆具有高硬度和高韧性的特点，能够抵抗裂纹扩展。

当氧化锆的体积分数增加时，其相变从单斜晶态相变为立方晶态（具有更高的韧性）。

这种相变导致了晶格的体积扩张，从而形成了压缩固溶体。

这种压缩固溶体能够对裂纹产生应力场，抑制裂纹扩展并提高陶瓷的韧性。

此外，氧化锆还能够阻碍晶界的运移和阻碍裂纹扩展，进一步提高陶瓷的强度和韧性。

总而言之，氧化锆增韧氧化铝陶瓷通过氧化锆的相变和晶格拘束效应来增强陶瓷的韧性和强度，使其具有更好的抗裂纹扩展性能，适用于高强度和高耐磨领域。