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
氧化锆的增韧原理
氧化锆的增韧原理今天来聊聊氧化锆的增韧原理的事儿。
你知道吗？生活中有些材料看似很脆弱，但是经过一些特殊的处理或者本身具有特殊的结构就能变得强韧许多。
就像我们常见的陶瓷碗，一不小心掉地上就碎了。
而氧化锆呢，它作为一种陶瓷材料，但却有着很好的韧性。
这是为啥呢？这就要说到它的增韧原理啦。
其实，氧化锆有一个特别的相变过程。
在正常情况下，氧化锆稳定存在一种晶相（我刚接触这词的时候也很迷糊，不过简单理解就是晶体的一种状态），但是呢，当它受到外力的时候，这个稳定的晶相会转变成另外一种晶相。
这就好比一支训练有素的小部队，平时按照一种编制（原来的晶相）执行任务，但是一旦遇到强敌（外力），立马变换一种战斗编制（新的晶相），这样就可以更好地应对危机。
这个晶相转变是怎么增韧的呢？这个新转变的晶相体积会变大，对周围的物质产生挤压。
而这种挤压就会减少裂纹的扩展。
形象点说，就好像在材料内部生出一些小卫士，裂纹想往前走，这些小卫士（新生成的、体积增大的晶相）就把它堵住，不让它继续行进，这样材料就不容易断裂了。
说到这里，你可能会问，那是不是只要是氧化锆就都有这么好的增韧效果呢？其实不是的。
氧化锆的增韧效果还和很多因素有关系呢。
比如说，它内部的杂质含量，还有制作的工艺等等。
在实际应用生活中啊，氧化锆的这种增韧原理可帮了大忙了。
比如在牙齿修复方面，要知道我们每天用牙齿咬东西，用力很复杂。
要是补牙齿的材料没有一点韧性，很快就会坏掉。
氧化锆牙齿修复材料就凭借它较好的韧性在这个领域站稳了脚跟。
不过呢，在使用氧化锆材料时，也要注意一些事情。
因为它的增韧是有一定限度的，如果外力过大，超过了它内部的‘小卫士’能承受的范围，那它还是会坏掉的。
我在学习氧化锆的增韧原理过程中，发现真的很有趣。
它就像一个小世界，里面的每个微小的变化（晶相转变）都会带来很大的影响。
但是，我有时候也有一些困惑，比如氧化锆的晶相转变温度是否能进一步优化来让它的增韧效果更好呢？这个可能还需要更多深入的研究。
氧化锆增韧氧化铝陶瓷的研究现状
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。
氧化锆陶瓷
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
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
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。
氧化锆陶瓷掺杂稳定和增韧机制
• 物理性能：热导率低、热稳定性好及高 温蠕变小,是高温隔热及结构陶瓷的理想 材料。极好的耐磨性 • ZrO2的重要作用仅次于Al2O3。
2氧化锆的晶体结构和相变特性
纯氧化锆有三种同素异形体结构：
• 1在室温时为单斜晶 (m) 相 • 2在1170℃时由单斜晶相变化成四方(t)相 • 3于2370℃由四方晶相变成立方晶(c)相， 注意：立方晶相在2680℃溶解成液相
3 为什么掺杂才能得到稳定氧化锆陶瓷？
m相密度：5.65g/cm3， t相6.10g/cm3， c相 6.20g/cm3。 • 烧结冷却时纯ZrO2发生t→m相变为无扩散相变，伴 随产生约5％的体积膨胀和相当大的剪切应变约5％ ~7％； • 加热时，由m→t相变，体积收缩。 加热、冷却过程中要发生晶型转变，引起体积效应 （热缩、冷胀），易使制品开裂，其力学性质和抗 热震能力都很差.......
如果减少加入氧化物的数量（小于上面的数值）， 不使全部氧化物都呈稳定的立方相，而使一部分一 四方相的形式存在，所以叫做部分稳定氧化锆.
• TZP:当稳定的ZrO2陶瓷全部为t-ZrO2的单相多晶 陶瓷时，叫四方氧化锆多晶陶瓷，用TZP表示。
5氧化锆相变增韧陶瓷分类依据：
根据亚稳四方相在应力诱导下的相变增韧作用，氧 化锆相变增韧陶瓷有三种主要类型： 1.完全由四方相氧化锆细晶组成的四方多晶氧化锆 (TZP)增韧陶瓷 2.立方相基体里弥散分布着四方相氧化锆的双相组 织，称为部分稳定氧化锆(PSZ)增韧陶瓷 3.四方相氧化锆弥散分布到其他陶瓷基中, 即弥散 四方相氧化锆(ZTC)增韧陶瓷
2. 微裂纹增韧:
• 裂纹来源：陶瓷材料在烧结体中由于存在局部残余 应力，造成一定数量的微裂纹。 • 裂纹作用：降低了作用区的弹性模量，当外力作用 时微裂纹以亚临界裂纹缓慢扩展并释放主裂纹尖端 的部分应变能，使主裂微扩展阻力增加，有效地抑 制了裂纹扩展，从而使断裂韧性提高。
氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷制备及性能研究
氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷制备及性能研究邓茂盛【摘要】本实验以纳米3Y-TZP和微米Al2O3为主要原料,采用常压烧结法制备致密的纳米ZTA复相陶瓷材料.当3Y-TZP含量为30wt％时,其相对密度达到最高,如烧结温度为1 400℃,试样的相对密度高达96.35％.在烧结温度范围内,试样中的颗粒会随着烧结温度的升高而增大,Al2O3颗粒随着3Y-TZP含量的增加而变小.纳米级的3Y-TZP颗粒会形成“内晶型”结构.在烧结温度为1 450℃时,含30wt％3Y-TZP的试样抗弯强度高达441.22 MPa.【期刊名称】《陶瓷》【年(卷),期】2018(000)010【总页数】6页(P30-35)【关键词】复相陶瓷;烧结温度;晶相组成;抗弯强度;硬度【作者】邓茂盛【作者单位】榆林市新科技开发有限公司陕西榆林718100【正文语种】中文【中图分类】TQ174.75氧化铝陶瓷材料是现代无机非金属材料中的一个重要组成部分，其具有其它许多材料所没有的优良的性能。
然而，由于氧化铝陶瓷存在室温强度低、断裂韧度差、脆性大的缺点，使其应用范围受到一定的限制[1]。
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，人们根据此原因研制出氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷[2]。
近年来，纳米复合材料的研究成为材料科学领域的一个热点，尤其是以氧化铝为基体的陶瓷[3]。
ZTA复相纳米陶瓷逐渐发展起来，利用相变增韧和第二相纳米颗粒增韧的叠加作用来改善Al2O3力学性能，被广泛应用于各项领域。
本研究是以纳米3Y-TZP和微米Al2O3为原料，采用液相烧结方式制备3Y-TZP/Al2O3复相陶瓷。
在最佳烧结条件下，研究不同含量的纳米3Y-TZP对3Y-TZP/Al2O3复相陶瓷的致密化、相组成、显微结构以及力学性能的影响，并对其复相陶瓷的增韧机理进行探讨。
1 实验内容1.1 实验原料实验所用的原料如表1所示。
表1 实验所用的原料表名称化学式生产厂家纯度八水氧氯化锆ZrOCl2·8H2O国药集团化学试剂有限公司分析纯,纯度≥99.0%六水硝酸钇Y(NO3)3·6H2O国药集团化学试剂有限公司分析纯,纯度≥99.0%二氧化钛TiO2国药集团化学试剂有限公司化学纯,纯度≥98.0%二氧化锰MnO2天津市福晨化学试剂厂分析纯,纯度≥85.0%氧化铝Al2O3浙江省乐清市超微细化工有限公司—无水乙醇C2H5OH国药集团化学试剂有限公司分析纯,纯度≥99.7%氨水NH3·H2O天津市福晨化学试剂厂分析纯,氨含量25%～28%聚乙二醇1000H(OCH2CH2)nOH国药集团化学试剂有限公司化学纯PVA[C2H4OCH]n自制5g/100ml去离子水H2O自制—1.2 试样的配方样品的编号采用以下方式：以组份中的质量百分比进行编号。
问：什么是氧化锆增韧氧化铝陶瓷？其增韧机理是什么？制备工艺有哪些？
机械混 合 法是 将 组 成 复 合 粉 体 的 粉 末 进行 混合 、 球 磨 ，然后再 进 行 烧 结 。该 方 法 直 接 、简便 ，但 不 能 保 证 多相 组分 的均 匀 分散 。
目前 ，提 高 氧化 铝 陶瓷断 裂韧 性有 许 多途 径 ，主要 有 ：应力 诱导 相 变增 韧 、相 变 诱 发 微 裂 纹 增 韧 、表 面 诱 发强 韧化 和微 裂 纹 分 叉 增 韧 等 。在 实 际 材 料 中，究 竟 何种 机 制起 主导 作用 ，在 很 大程 度 上 取 决 于 四方 相 氧 化锆 （ｔｍＺｒＯ ）向单 斜相 氧 化 锆 （ｍ—ＺｒＯ ）马 氏体 生 的部 位 。 ２．１ 应 力诱 导相 变增 韧
氧化 锆增 韧 氧化 铝 陶瓷复 合 粉体 的制 备工 艺有 混 合法 、溶胶 一凝胶 法 、共 沉 淀法 和 沉淀包 裹 法 等不 同方 法 。其 中的关 键 是 ，既 要 保 证 ＺｒＯ 的颗 粒 细 度 小 且 颗粒 度分 布 范 围 窄 ；又 要 保 证 ＺｒＯ 的 均 匀 分 散 ，使 Ａｌ ０。颗粒 能够 包裹 ＺｒＯ ，以产生 良好 的增 韧效 果 。 ３．１ ＺｒＯ。／Ａｌ：Ｏ。复 合粉 体 的制 备
定 性 ，是 目前应 用 非 常 广 泛 的 陶 瓷材 料 之 一 。但 其 断 裂 韧 性较 低 ，一般 为 ２．５～４．５ ＭＰａ·ｍ，严 重地 限制 了 它在 更广 泛领 域 中 的应 用 ，从 而 增 强 氧 化 铝 陶瓷 断 裂 韧 性 成 了当前 研究 的热 点 之一 。
氧化 锆 增 韧 氧 化 铝 （ＺｉｒｃｏｎｉａＴｏｕｇｈｅｎｅｄ Ａｌｕｍｉ— ｎｕｍ ，ＺＴＡ）陶 瓷 材 料 ，它 是 在 氧 化 铝 母 相 基 质 中 引 入 一 定 量 的 相 变 材 料 氧 化 锆 所 形 成 的 一 种 复 相 精 细 陶 瓷 材料 。由于 氧化 铝 的硬度 大 、氧化 锆 的韧性 好 ，这两 种 材料 形成 了高强 度 、高 韧性 的优 异 复合 体 ，在常 温下 具 有更 高 的抗折 强 度 和断 裂 韧 性 ，因而 具 有 出色 的耐 磨 性能 。因此这 种 复相 陶瓷 材料 既具 有 氧化 锆 陶瓷高 韧 和高 强度 的特性 ，又具 有 氧化 铝 陶瓷高 硬度 的优 点 ，而 且 随着这 种综 合 力学 性 能 的提 高 ，其 耐 磨 性 也 得 到 了 较大 的提高 。 ２ 氧 化 锆 增 韧 氧 化 铝 陶 瓷 的 增 韧 机 理
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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 ）
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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。