氧化锆增韧
氧化锆增韧氧化铝陶瓷的研究进展
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。
氧化锆陶瓷
抗弯强度 断裂韧性
Mpa
300
1/2
Mpam
4
350
400
700
1100
4.5
5
7
12
硬度
HRA
≥86
≥88
≥89
≥90 88-90
弹性模量 线膨胀系数
GPa
320
-6 X10 /k
350
390
300
220
6.5-11.2
最小可达剩余不平衡度
Gmm/kg
≤0.8
不平衡减少率
≥85%
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。 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 减少魔擦力，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。
陶瓷材质性能参数（ceramics performance paramcter）
氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷制备工艺的研究进展
2020年13期工艺创新科技创新与应用Technology Innovation and Application氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷制备工艺的研究进展*隋育栋（昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明650093）1概述在工业陶瓷中，氧化铝陶瓷（Al 2O 3）因具有高熔点、高硬度、优异的高温稳定性和低廉的价格而受到人们的广泛关注，但是其韧性较低，限制了工业应用范围。
将氧化锆（ZrO 2）引入到Al 2O 3陶瓷中，可制得氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA ）。
ZrO 2在Al 2O 3陶瓷中能起到相变增韧和微裂纹增韧的作用，对Al 2O 3陶瓷进行增韧补强，从而改善Al 2O 3陶瓷的韧性，因此，ZTA 陶瓷成为结构陶瓷中最有前途的材料之一。
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[1]。
ZTA 复相陶瓷分为粉体和块体两种形式，形式的不同，其制备工艺存在显著的差异。
2ZTA 复相陶瓷粉体的制备工艺烧结是制备陶瓷材料的主要途径之一[2]，尤其是以固相为主要物相的烧结，烧结前粉体的特性对后续陶瓷的组织结构有重要的影响。
因此，要求粉体具有纯度高、均匀性好、稳定性优良、团聚少以及配比准确等特点。
目前，ZTA 粉体的制备工艺方法非常多，制备出粉体也更有特点。
如果把这些制备工艺按照物料体系状态的不同进行分类，那么可以将其分为固相法、液相法和气相法等[3]三种。
在这三种方法里面，由于液相法具有原料来源广、操作条件简易、粉体尺寸和性能稳定以及生产成本较低等优点，所以成为较为理想的ZTA 陶瓷粉体制备方法。
液相法可获得尺寸为1~100nm 且均匀弥散分布的粉体。
【精品文章】一文认识氧化锆陶瓷的增韧方法及应用
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
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。
氧化锆增韧
应力诱导相变增韧
含有部分t-ZrO2陶瓷在 受到外力作用时微裂纹尖端 产生张应力，松弛了四方相 所受的压应力，微裂纹表面 有一层四方相转变为单斜相。 由于单斜相产生7%左右的 体积膨胀和剪切应变导致压 应力，不仅抵消了外力造成 的张应力而且阻止进一步的 相变。
相变诱发微裂纹增韧
四方相转变为单斜相时体积膨胀导致的微裂纹, 四方相转变为单斜相时体积膨胀导致的微裂纹,能在裂 纹扩展过程中吸收能量，减少主裂纹的应力集中，起到提 高断裂韧性的作用。
氧化锆晶型转变
单斜m-ZrO2
1170℃ 170 950℃ 950℃
四方t-ZrO2
2370℃ 2370℃ 2370℃ 2370℃
立方c-ZrO2
单斜相和四方相之间相互转化
在低温下锆离子趋向于形成配位数小于8的结构，即 单斜相。 纯ZrO2烧结冷却时ｔ→ｍ相变为无扩散相变，伴 随产生约７％的体积膨胀和相当大的剪切应变（约８％）； 相反，在加热时，由ｍ→ｔ相变，体积收缩。
ZrO2 Y2O3 2YZr ‘ +3 Oo + VO • • →
根据稳定程度不同，氧化锆相变增韧陶瓷 有三种类型，分别为：
部分稳定氧化锆陶瓷(partially stabilized zirconia， PSZ) 四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP) 氧化锆增韧陶瓷(Zirconia Toughened Ceramics，ZTC)
表面强化增韧
表面强化增韧陶瓷材料的断裂往往是从 表面拉应力超过断裂应力开始的。由于ZrO2 陶瓷烧结体表面存在基体的约束较少，tZrO2容易转变为m-ZrO2，而内部t-ZrO2由于 受基体各方向的压力保持亚稳定状态。因此 表面的m-ZrO2比内部的多，而转变产生的体 积膨胀使材料表面产生残余的压应力，可以 抵消一部分外加的拉应力，从而造成表面强 化增韧。
氧化锆相变增韧原理
氧化锆相变增韧原理
1 氧化锆相变增韧原理
一、什么是氧化锆相变增韧
氧化锆相变增韧是指氧化锆经过热处理和冷处理，利用氧化锆晶体结构的特性，以较低温度驱使氧化锆晶体结构重排，使晶体结构由α-氧化锆转变为γ-氧化锆，形成γ-α复相结构，从而实现材料性
能的提高。
二、氧化锆相变增韧原理
氧化锆相变增韧工艺的原理是：经过热处理之后，氧化锆晶体结构由α型结构转变为β型结构或γ型结构，形成α-β或α-γ复合型结构。
由于β型氧化锆比α型氧化锆的晶界能量增大，α-β复合型
结构的晶界的能量比α型结构的晶界能量增大，从而增加晶体的韧性；α-γ复合型结构不仅提高了晶界的能量，而且增加了在原子间的弹性，从而使材料具有更高的韧性和抗拉强度。
三、氧化锆相变增韧的优点
1、可以大大提高材料的强度和韧性，使材料更耐磨、抗冲击；
2、可以改变材料的结构，增加材料的热稳定性；
3、可以改变材料的微观结构，延伸材料的寿命。
四、氧化锆相变增韧的应用
氧化锆相变增韧技术广泛应用于航空航天、汽车工业、航空航天、军工工业、医疗设备等领域，用于各种热处理工具、工具钢、形状记忆合金、高刚性不锈钢、硬质合金等材料的热处理。
5.2 氧化锆陶瓷(氧化锆增韧陶瓷)解析
2. ZrO2功能陶瓷
Y2O3的ZrO2陶瓷具有敏感的电性能，是近几年来发展的新材料，主要 应用于各种传感器、第三代燃料电池和高温发热体等。而且ZrO2材料 高温下具有导电性及晶体结构存在氧离子缺位的特性，可制成各种功 能元件。
（1）氧传感器。传感器主要用于工业生产、监控、品质检验，用来提高 设备的自动化程度，提高产品的性能。目前氧化锆传感器已大量应用 于钢铁制造过程中，用来测量熔融钢水及加热炉所排放气体的含氧量， 从而了解钢铁制造过程中钢铁的品质是否达到标准。
ZrO2陶瓷成型可采用注浆法或干压法成型。注浆成型时，可向ZrO2 细粉中加入少量的阿拉伯树胶（浓度为10%的约7%）和20%左右的 蒸馏水，具有良好的注浆性能浆料。
采用热压法可制得透明ZrO2陶瓷。烧成温度为1650~1800℃ ，保温 2~4小时。
部分PSZ材料的强度和断裂韧性
稳定剂成分
氧化锆陶瓷材料具有高强度、高韧性、耐高温及耐磨损、 抗腐蚀等优点，用在冷却风扇轴承系统，制得的氧化锆 轴心，在噪音稳定性、耐磨性、使用寿命等方面均优于 传统轴心。该轴心主要用于电脑机壳散热器和中央处理 器（CPU）的微型散热风扇上。2003年夏季，台湾电脑 公司富士康率先推出了采用这种陶瓷轴承系列电脑散热 风扇。
（3）抗热震性：氧化锆增韧陶瓷材料在热机、航天等领域使用时 对抗热震性要求较高，目前氧化锆增韧陶瓷材料尚不能达到这 一要求。只有解决了抗热震性问题，氧化锆增韧陶瓷材料的优 势才能在这一领域得到发挥。
（4）协同增韧：未来氧化锆增韧陶瓷材料将是多种增韧机理共同 起作用的结果，因此相变增韧机理与其它机理间的交互作用， 以及各种机理间产生协同增韧效应的条件，也将是未来的主要 研究方向之一。
三、 ZrO2陶瓷制造工艺
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ZrO2 Y2O3 2YZr ‘ +3 Oo + VO • • →
根据稳定程度不同，氧化锆相变增韧陶瓷 有三种类型，分别为：
部分稳定氧化锆陶瓷(partially stabilized zirconia， PSZ) 四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal，TZP) 氧化锆增韧陶瓷(Zirconia Toughened Ceramics 含锆的矿石：斜锆石（ZrO2)，锆英石 ， (ZrO2 ·SiO2)； ； 颜色：白色（高纯ZrO2）； 黄色或灰色（含 黄色或灰色（ 颜色：白色（高纯 少量杂质的ZrO ），常含二氧化铪杂质 常含二氧化铪杂质； 少量杂质的ZrO2），常含二氧化铪杂质； 密度： 密度：5.65~6.27g/cm3； 熔点： 熔点：2715℃。
氧化锆的稳定化处理
常见的ZrO2稳定剂是稀土或碱土氧化 物，比如Y2O3 MgO CeO2 CaO。 机理： 机理：稳定剂的阳离子在ZrO2中具有一 定的溶解度，可以置换其中的锆离子。 而形成置换型固溶体，阻碍四方晶型(t) 向单斜晶型(m)的转变，从而降低氧化锆 陶瓷t-m相变的温度，使t-ZrO2亚稳至室 温。
氧化锆晶型转变
单斜m-ZrO2
1170℃ 170 950℃ 950℃
四方t-ZrO2
2370℃ 2370℃ 2370℃ 2370℃
立方c-ZrO2
单斜相和四方相之间相互转化
在低温下锆离子趋向于形成配位数小于8的结构，即 单斜相。 纯ZrO2烧结冷却时ｔ→ｍ相变为无扩散相变，伴 随产生约７％的体积膨胀和相当大的剪切应变（约８％）； 相反，在加热时，由ｍ→ｔ相变，体积收缩。
颗粒弥散增韧
弥散增韧主要是在陶瓷基质中加入第二相 ZrO2粒子，这种颗粒在基质材料受拉伸时阻止 横向截面收缩。而要达到和基体相同的横向收 缩，就必须增加纵向拉应力，这样就使材料消 耗了更多的能量，起到增韧作用。 只有ZrO2弥散粒子的直径小于室温相变临 界颗粒直径（一般＜1µm）时，才能使陶瓷基 体内储存着相变弹性应变能，导致其韧性和强 度均有不同程度提高。
ZrO2陶瓷相变增韧
The transformation toughening of ZrO2 ceramics
姓名：杨懿 姓名： 学号： 学号：1049721100332
ZrO2相变增韧
氧化锆简介 氧化锆的稳定化处理 增韧机理 （1）应力诱导相变增韧 ） （2）相变诱发微裂纹增韧 ） （3）表面强化增韧 ） （4）颗粒弥散增韧 ）
谢谢欣赏，请老师和 各位同学批评指正！
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应力诱导相变增韧
含有部分t-ZrO2陶瓷在 受到外力作用时微裂纹尖端 产生张应力，松弛了四方相 所受的压应力，微裂纹表面 有一层四方相转变为单斜相。 由于单斜相产生7%左右的 体积膨胀和剪切应变导致压 应力，不仅抵消了外力造成 的张应力而且阻止进一步的 相变。
相变诱发微裂纹增韧
四方相转变为单斜相时体积膨胀导致的微裂纹, 四方相转变为单斜相时体积膨胀导致的微裂纹,能在裂 纹扩展过程中吸收能量，减少主裂纹的应力集中，起到提 高断裂韧性的作用。
表面强化增韧
表面强化增韧陶瓷材料的断裂往往是从 表面拉应力超过断裂应力开始的。由于ZrO2 陶瓷烧结体表面存在基体的约束较少，tZrO2容易转变为m-ZrO2，而内部t-ZrO2由于 受基体各方向的压力保持亚稳定状态。因此 表面的m-ZrO2比内部的多，而转变产生的体 积膨胀使材料表面产生残余的压应力，可以 抵消一部分外加的拉应力，从而造成表面强 化增韧。