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。

氧化锆陶瓷-----2011级材料科班2011 氧化锆陶瓷具有相变增韧和微裂纹增韧，所以有很高的强度和韧性，被誉为“陶瓷钢”，在所有陶瓷中它的断裂韧性是最高。

具有优异的室温机械性能。

在此基础上，我们对氧化锆配方和工艺进行优化，获得了细晶结构的高硬度、高强度和高韧性的氧化锆陶瓷。

高硬度、高强度和高韧性就保证了氧化锆陶瓷比其它传统结构陶瓷具有不可比拟的耐磨性。

具有细晶结构的陶瓷通过加工可以获得很低的表面粗糙度（<0.1u m）。

因而减少陶瓷表面的摩擦系数，从而减少磨擦力，提高拉丝的质量（拉出的丝光滑无毛刺，且不易断丝）。

氧化锆的这种细晶结构具有自润滑作用，在拉丝时会越拉越光。

氧化锆陶瓷的弹性模量和热膨胀系数与钢材相近，因而能有机的与钢件组合成复合拉线轮，不会因受热膨胀不一致而造成损坏或炸裂。

使用证明氧化锆陶瓷拉线轮是现代高速拉线机的理想配件。

氧化锆陶瓷是一种新型高技术陶瓷，它与传统的氧化铝陶瓷相比具有以下优点：1、高强度，高断裂韧性和高硬度2、优良的耐磨损性能3、弹性模量和热膨胀系数与金属相近4、低热导率。

（及对比性能参数如表1）表1 氧化锆陶瓷与普通陶瓷性能参数对比1.氧化锆陶瓷原料纯净的ZrO 2为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。

氧化锆有三种晶相，分别为单斜晶相、四方晶相和立方晶相，三者之间的转变关系如下1.1氧化锆粉末的制备常压下纯的氧化锆有三种晶型，低温为单斜晶系，密度 5.65g/cm3， 高温为四方晶系， 密度6.10g/cm3，更高温度下为立方晶系，密度6.27g/cm3，其相互间的转化关系如下：熔体立方四方单斜−−→−−−→−−−→−︒︒︒CC C O O O 271522370211702Zr Zr Zr单斜、四方、立方晶系3种1170 ℃ 2370 ℃ 2715 ℃ m -ZrO 2 ⇔ t -ZrO 2 ⇔ c -ZrO 2 ⇔ liq-ZrO 2 d = 5.65 6.10 6.27 g/cm 3 m -ZrO 2 → t -ZrO 2 T=~1200 ℃ m -ZrO 2 ← t -ZrO 2 T=~1000 ℃ 3~5%的体积膨胀和7~8%的切应变 ↓稳定ZrO 2 ←稳定剂←微裂纹 Y 2O 3，CaO ，MgO et al.天然ZrO2 和用化学法得到的ZrO2 属于单斜晶系。

氧化铈增韧氧化锆陶瓷的研究摘要：本文叙述了氧化锆陶瓷的增韧机制，以氧化铈为稳定剂，论述不同实验中铈掺杂氧化锆的性能研究。

结果表明，氧化铈对四方相氧化锆具有稳定作用。

本文采用不同实验方法，研究了反应温度、氧化铈的含量、PH、烧结工艺等对铈掺杂氧化锆陶瓷粉体的影响，并分析了氧化铈氧化锆陶瓷的力学性能，对铈掺杂氧化锆陶瓷的应用前景作了简要概述。

关键词：氧化铈；氧化锆；增韧机制；稳定作用1 引言近年来，利用稀土氧化物—氧化铈对氧化锆的稳定作用实现对陶瓷材料的研究渐趋活跃。

由于ZrO2具有熔点和沸点高、硬度大，常温下为绝缘体，而高温下为导体等优良性质，固此，从20世纪20年代开始就被用做熔化玻璃和冶炼钢铁等的耐火材料。

随着人们对ZrO2了解的加深，20世纪70年代开始就被用作结构材料和功能材料。

1975年，澳大利亚R.G.Garvie以CaO为稳定剂制得部分稳定的氧化锆陶瓷（Ca—PSZ），并首次利用ZrO2马氏体相变的增韧效应，提高了其韧性和强度，极大的扩展了ZrO2马氏体相变的增韧效应，提高了其韧性和强度，极大的扩展了ZrO2在结构陶瓷领域的研究。

纯ZrO2在不同温度区间具有单斜（Monoclinic ）、四方（Tetragonal ）、立方(Cubic)三种不同晶型，晶型转化式为：当氧化锆从高温冷却到室温要经历c—t—m的同质异构转变，其中t—m的相变过程要产生3-5%的体积膨胀，体积膨胀效应可导致材料的开裂，所以未经稳定的ZrO2韧性极差，在一般情况下是无法使用的。

要实现相变增韧，必须添加一定的稳定剂，而只有离子半径与Zr4+半径相差不超过40%的氧化物才能作为氧化锆的稳定剂。

氧化铈作为氧化锆的稳定剂，有利于在室温保留尽量多的可相变亚稳四方相氧化锆，并能在较宽的成分范围内获得亚稳四方相氧化锆，从而为氧化锆的相变增韧提供优越的条件。

1998年末松下电器公司宣称与大阪大学科学与工业研究所联合开发了一种采用铈做稳定剂的ZrO2-CeO2复合陶瓷，由于热膨胀系数不同，很难制成纳米复合材料。

二氧化锆陶瓷的相变增韧机理和应用一、本文概述本文旨在深入探讨二氧化锆陶瓷的相变增韧机理及其在多个领域的应用。

作为一种重要的工程材料，二氧化锆陶瓷因其出色的物理和化学性质，如高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性和生物相容性等，在航空航天、机械、电子、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。

然而，其脆性大的特点限制了其在某些领域的应用。

为了解决这个问题，科研工作者们发现，通过控制二氧化锆陶瓷中的相变过程，可以有效地提高其韧性，这就是所谓的相变增韧机理。

本文将首先介绍二氧化锆陶瓷的基本性质，包括其晶体结构、物理和化学性质等。

然后，将重点阐述相变增韧机理，包括其原理、影响因素以及实现方法。

在此基础上，本文将进一步探讨二氧化锆陶瓷在航空航天、机械、电子、生物医疗等领域的应用，以及在这些应用中如何利用相变增韧机理来提高其性能。

本文还将对二氧化锆陶瓷的未来发展趋势进行展望，以期为其在更多领域的应用提供理论支持和实践指导。

二、二氧化锆陶瓷的基本性质二氧化锆（ZrO₂）陶瓷是一种具有独特物理和化学性质的先进陶瓷材料。

它的主要特点包括高强度、高硬度、高耐磨性、高化学稳定性以及优异的隔热性能。

二氧化锆陶瓷还具有一种特殊的性质，即其在一定条件下可以发生相变，这种性质为二氧化锆陶瓷的增韧提供了可能。

在常温下，二氧化锆陶瓷主要以单斜晶相（m-ZrO₂）存在，这种晶相具有较高的稳定性。

然而，当受到外部应力或温度升高的影响时，部分单斜晶相二氧化锆会转变为四方晶相（t-ZrO₂）。

这种相变过程中，二氧化锆的体积会发生变化，产生微小的应力场，这些应力场可以吸收并分散外部施加的应力，从而阻止裂纹的扩展，提高陶瓷的韧性。

除了相变增韧外，二氧化锆陶瓷还可以通过添加稳定剂（如氧化钇、氧化钙等）来稳定其四方晶相，使其在室温下就能保持较高的韧性。

这种稳定化处理不仅可以提高二氧化锆陶瓷的力学性能，还可以扩大其应用范围。

二氧化锆陶瓷的基本性质为其在增韧机制和实际应用中提供了重要的基础。

氧化锆增韧氧化铝成分
氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA）是一种特殊的陶瓷材料，其主要成分是氧化铝（Al2O3）和氧化锆（ZrO2）。

1.氧化铝：这是ZTA陶瓷的基体材料，具有优良的机械性能和化学稳定性。

氧化铝陶瓷本身硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性强，被广泛应用于各种领域。

2.氧化锆：这是ZTA陶瓷的增韧相，通常以颗粒形式分布在氧化铝基体中。

氧化锆具有高韧性、高强度和高耐磨性等特点，能够有效提高氧化铝陶瓷的韧性。

当受到外力作用时，氧化锆颗粒会发生相变（从四方相向单斜相转变），吸收能量并阻止裂纹扩展，从而提高陶瓷的整体强度和韧性。

在ZTA陶瓷中，氧化铝和氧化锆的比例可以根据需要进行调整。

一般来说，氧化锆的含量在10%-50%之间。

这种复合材料的性能优于单一材料，具有更高的机械强度、更好的耐磨性和更稳定的化学性能。

因此，ZTA陶瓷被广泛应用于各种要求高性能和可靠性的领域，如机械、化工、电子等。

氧化镁部分稳定氧化锆（Mg
部分稳定氧化锆（PSZ）是研究最早的相变增韧陶瓷（TTC），利用氧化锆的相变特性可以获得具有非常高的断裂韧性和抗弯强度的氧化锆陶瓷制品，因其具有高韧高强特性还曾被美誉为“陶瓷钢”。

在现代工业陶瓷体系中，氧化锆陶瓷已成为继氧化铝陶瓷后的第二大工业陶瓷体系。

要实现氧化锆的相变增韧，必须添加一定的晶型稳定剂，使氧化锆晶型在高温烧成后仍保持在四方相体系下，方能施展氧化锆陶瓷的相变增韧“特效”，目前氧化锆陶瓷常用的稳定剂主要有Y2O3、CeO2、MgO、CaO等氧化物。

 人们认识相变增韧陶瓷始于Ca-PSZ，但由于其峰值强度和韧性对析出体大小和热处理较为苛刻，于是人们将注意力转向Mg-PSZ。

而后来开发的
Y-PSZ或Y-TZP则有烧结温度低，烧结性能好，致密度高等特性，具有优良的常温力学性能，应用领域也较为广泛。

尽管Y-PSZ力学性能优秀，但其短板却在于其无法在高温或高湿的条件下使用。

 高温？高湿？它能行！
 论起在高温或高湿的应用条件，氧化镁部分稳定氧化锆陶瓷（Mg-PSZ）始终占据上风。

品质优良的Mg-PSZ陶瓷材料具有很好的防潮性能、抗热震能力、优良的断裂韧性和高温机械强度，可承受高至800℃甚至更高的使用温度。

但是镁稳定氧化锆的研究和开发受到两个不利因素的制约：一是氧化镁在氧化锆的立方区固溶温度非常高，导致镁稳定的稳定氧化锆不容易完全烧结；二是氧化镁在氧化锆在高于1000℃时易产生晶相分离和大量四方相失稳，至使材料性能衰退，严重制约其在高温区的应用。

因此，氧化镁来稳定氧化锆今后的研究重点是努力降低烧结温度，实现低温烧结；。