氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的研究进展

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２００８．０３ （ 上旬刊）
理工科研
氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的研究进展
□ 李金涛
（ 宿迁学院三系 江苏·宿迁 ２２３８００）
摘 要 综述了氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的增韧机理、ＺＴＡ 陶瓷材料的制备工艺及应用等方面的研究进展。
关键词 氧化锆 氧化铝 增韧 ＺＴＡ 复合粉体
中图分类号： Ｏ６１１
文献标识码： Ａ
种 机 制 起 主 导 作 用 ， 在 很 大 程 度 上 取 决 于 四 方 相 氧 化 锆（ ｔ－ ＺｒＯ２） 向 单 斜 相 氧 化 锆（ ｍ－ ＺｒＯ２） 马 氏 体 相 变 程 度 的 高 低 及 相 变 在 材 料 中发生的部位。
２．１ 应力诱导相变增韧
当部分稳定的 ｔ－ ＺｒＯ２ 弥散在 Ａｌ２Ｏ３ 陶瓷基体里， 即存在 ｔ－ ＺｒＯ２ 与 ｍ－ ＺｒＯ２ 的可逆相变特性， 晶体结构的转变伴随有 ３￣５％的体积
断裂表面， 需要吸收一部分能量； 另一方面， 相变引起的体积膨胀效
应也要消耗能量； 同时， 相变的晶粒由于体积膨胀而对裂纹产生压
应力， 阻碍裂纹扩展。由此可见， 应力诱导的这种组织转变消耗了外
加应力， 降低了裂纹尖端的应力强度因子， 使得本可以继续扩展的
裂纹因能量消耗造成驱动力减弱而终止扩展， 从而提高了材料断裂
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ｍｉｎｕｍ） 被证明具有较好的增韧效果。本文就近年来有关 ＺＴＡ 陶瓷
材料的增韧机理及其制备工艺的研究进展作如下综述。
２． ＺＴＡ 陶瓷的增韧机理
陶瓷材料的断裂韧性 ＫＩＣ 同其弹性模量 Ｅ、泊松比 ν 及断裂
表面能有关。即：
! ＫＩＣ＝
Ｅ ·ｄＵｓ
２
１－ Ｖ
ｄＡ
由于弹性模量和泊松比是非显微结构敏感参数， 所以提高材料
ＺｒＯ２／ Ａｌ２Ｏ３ 复合粉体是重要前提。ＺＴＡ 复合粉体的制备工艺有混合 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
ＺｒＯ２ 的颗粒细度小且颗粒度分布范围窄； 又要保证 ＺｒＯ２ 的均匀分 散， 使 Ａｌ２Ｏ３ 颗粒包裹 ＺｒＯ２， 以产生良好的增韧效果。
文章编号： １６７２－ ７８９４（ ２００８） ０３－ １９７－ ０１
１．引言
陶瓷材料具有许多优越的特性， 然而其脆性大、韧性低、强度差
是影响其广泛应用的瓶颈。因此， 各国学者在高强度、高韧性陶瓷领
域进行了大量的研究。目前， 研究较多且较有成效的是 ＺｒＯ２ 增韧陶 瓷。其中， 氧化 锆 增 韧 氧 化 铝 陶 瓷 ＺＴＡ （ Ｚｉｒｃｏｎｉａ Ｔｏｕｇｈｅｎｅｄ Ａｌｕ－
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膨胀。同时， 由于两者具有不同的热膨胀系数， 烧结完成后， 在冷却
过程中， ＺｒＯ２ 颗粒周围则有不同的受力情况。当基体对 ＺｒＯ２ 颗粒有 足够的压应力， 而 ＺｒＯ２ 的颗粒度又足够小， 则其相变温度可降至室 温以下， 这样在室温时 ＺｒＯ２ 仍可保持四方相。当材料受到外应力 时， 基体对 ＺｒＯ２ 的压抑作用得到松弛， ＺｒＯ２ 颗粒即发生 ｔ－ ｍ 相变， 形成一相变过程区。在过程区内， 一方面， 由于裂纹扩展而产生新的
诱发微裂纹， 还是裂纹在扩展过程中在其尖端区域形成的应力诱发
相变导致的微裂纹， 都将起着分散主裂纹尖端能量的作用， 从而降
低了裂纹扩展驱动力， 提高了材料的韧性， 称为微裂纹增韧。
３．ＺＴＡ 陶瓷的制备工艺
ＺＴＡ 陶瓷的制备工艺主要包括 ＺｒＯ２／ Ａｌ２Ｏ３ 复合粉体的制备、坯 体成型及烧结等工序。为了制备性能优异 ＺＴＡ 陶瓷， 获得优质的
韧性。这就是 ＺｒＯ２ 的应力诱导相变增韧。 ２．２ 微裂纹增韧
ｔ－ ＺｒＯ２ 弥 散 在 Ａｌ２Ｏ３ 陶 瓷 基 体 里 时 ， 粒 径 ｄ＞ｄｍ（ｍ 相 晶 粒 的 临 界 粒 径）的 晶 粒 在 冷 却 过 程 中 会 发 生 ｔ－ ｍ 相 变 ， 由 于 体 积 效 应 较 明
显而诱发微裂纹。这样， 不论是 ＺｒＯ２ 陶瓷在冷却过程中产生的相变
３．１ 混合法 混合法有机械混合法、多相悬浮液 混 合 法 、溶 胶 － 悬 浮 液 混 合 法等。 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。该法直接、简便， 但不能保证多相组分的均匀分散。 多 相 悬 浮 分 散 混 合 工 艺 是 通 过 添 加 分 散 剂 、调 整 ｐＨ 值 ， 先 分 别制备各组元充分分散的单相稳定悬浮液， 然后找出各相颗粒均能 良好分散的混合悬浮条件， 将各单相悬浮液混合， 再通过找出共同 的 絮 凝 条 件 可 以 制 备 均 匀 混 合 的 粉 体 。 研 究 多 相 固 体 共 同 悬 浮 、共 同絮凝的条件， 其工作难度较大。 由于纳米溶胶的悬浮不受液体 ｐＨ 值的影响， 极大的方便了与 其它悬浮液的均匀混合， 当两种液体的固相含量均较高时， 可搅拌 加热或气流干燥， 以获得混合较好的纳米复相陶瓷。 ３．２ 共沉淀法 典 型 的 共 沉 淀 法 是 将 Ｙ２Ｏ３ 溶 于 盐 酸 后 与 ＺｒＯＣｌ２、８Ｈ２Ｏ 及 Ａｌ－ Ｃｌ３、６Ｈ２Ｏ 的 水 溶 液 配 成 混 合 溶 液 ， 以 喷 雾 方 式 加 入 温 度 恒 定 在 ４０℃的稀氨水中（ ｐＨ＝９） ， 快速搅拌以产生共沉淀。沉淀物经减压 过滤、烘干磨细 后 在 ８４０℃煅 烧 ， 即 得 到 混 合 均 匀 的 ＺｒＯ２（ Ｙ２Ｏ３） ／Ａｌ２Ｏ３ 复合粉体。 ４．ＺＴＡ 陶瓷的应用 ＺＴＡ 复合陶瓷具备优良的 抗 腐 蚀 性 、抗 热 震 性 、较 高 的 强 度 和 韧性， 因而具有广泛的应用前景。用 ＺＴＡ 复合陶瓷制作的陶瓷刀具 可以实现对铸铁和合金的加工； 可以制作工程陶瓷的界面结构， 以 延长工程材料的使用寿命； 用 ＺＴＡ 可以制作耐磨瓷球； 由于氧化铝 陶瓷材料具有良好的生物相 容 性 ， ＺＴＡ 还 可 以 作 为 生 物 医 用 材 料 ， 用于硬组织（牙齿） 的重建和修复。 ＺＴＡ 复合陶瓷系统中， Ａｌ２Ｏ３ 是一种高强度的基体， 填隙的四方 ＺｒＯ２ 提供相变增韧机制。今后， 借助于 ＺｒＯ２ 的相变特性对陶瓷材料 进 行 增 韧 设 计 仍 是 陶 瓷 材 料 增 韧 研 究 的 主 要 课 题 之 一 。解 决 如 何 分 散团聚体， 使纳米第二相粒子在基体中均匀分布， 制备性能优良的 ＺｒＯ２／ Ａｌ２Ｏ３ 复合粉体是 ＺＴＡ 复相陶瓷制备中的核心问题。氧化铝陶 瓷的断裂韧性的提高将有可能解决限制陶瓷材料应用的可靠性及 耐久性问题， 必将会拓展陶瓷材料的应用范围。
的断裂韧性主要依靠增加断裂表面能。从断裂力学的角度， 增加自
由表面能形成新生表面， 减小气孔率， 减小晶粒尺寸， 适当的应力诱
导相变， 形成微裂纹等都可能提高材料的断裂韧性。
ＺｒＯ２ 增韧机制有许多种： 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