氧化锆陶瓷掺杂稳定和增韧机制

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
氧化锆陶瓷掺杂稳定原理 及其增韧机制
粉冶工程试验1101班
和祥 0706110104 张景峰 0706110105 胡显刚 0706110106
1什么是氧化锆陶瓷？
• 氧化锆陶瓷是以稳定的立方型 氧化锆为主晶相的陶瓷。具有优异 的力学和热学等性能，是一类很有 发展前途的新型结构陶瓷材料，并 已在众多领域中得到广泛应用。
• 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
谢谢！
氧化锆陶瓷的增韧原理
目的：利用相变增韧来改善陶瓷材料的脆性。
增韧机理主要有：
1应力诱导相变增韧 2微裂纹增韧 3残余应力增韧 4表面增韧等。
• 1. 应力诱导相变增韧:
• 实验证明：亚稳的四方相氧化锆相变成 稳定的单斜相氧化锆，材料样品强度得 到明显提高 • 原理：由于t-ZrO2晶粒相变吸收能量 而阻碍裂纹的继续扩展从而提高了材料 的强度和韧性。 • 过程：冷却过程中t- ZrO2→ m- ZrO2 的相变将受到抑制。当裂纹受到外应力 作用时可诱发t- ZrO2相变使之转化为 单斜晶型。此时伴随着3－5％的体积 膨胀和1－7％的剪切应变，并对基体产 生压应力，使裂纹扩展受阻、主裂纹延 深需要外力做功以增加能量。即在裂纹 尖端应力场的作用下。形成晶粒相变、 吸收能量、阻碍裂纹扩展的屏蔽区。提 高了断裂能，使材料的断裂韧性提高
• 机理：主要是在裂纹的扩展路径上，以第二相粒子及 第二相产生的应力集中或残余应力等作为障碍，来阻碍 裂纹的运动，使裂纹扩展时改变方向。轴状的障碍物使 裂纹的扭转角增加而增加韧性。 • 对ZrO2增韧陶瓷，裂纹的的偏转常常发生在相变后的 m- ZrO2氧化锆颗粒周围。
4. 表面强化增韧
实验证明：在增韧陶瓷表面诱发四方相至单斜 相的马氏体相变，形成表面压应力层，材料的 强度可获得提高。 对Ce-TZP材料,经过还原气氛的处理,使CeO2 还原为Ce2O3而诱发相变,在其表面形成压应力 层。这些都验证了表面强化工艺处理后，具有 压应力层的陶瓷材料对表面小缺陷不敏感，能 提高抵抗接触损伤能力。
• 氧化锆陶瓷具有十分优异的物理、 化学性能，不仅是耐火材料、高温 结构材料和电子材料的重要原料， 在各种金属氧化物陶瓷材料中， ZrO2的高温热稳定性、隔热性能 最好。
• 高纯的ZrO2呈白色，较纯的ZrO2呈黄 色或灰色。 • 化学性能：ZrO2化学性能稳定，除硫酸 和氢氟酸外，对酸、碱及碱熔体、玻璃 熔体和熔融金属都具有很好的稳定性。
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。
3. 裂纹的弯曲和偏转增韧:
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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.......
• 4掺杂过程及掺杂产物
• 原料选择：为防止相变引起的开裂，通常在纯ZrO2中加入于 它结构相似（立方晶型）和阳离子半径与Zr4+相近（半径差 ＜4%）的氧化物（CaO、MgO、Y2O3、CeO2和其他稀土氧 化物）作稳定剂. 机理：在高温烧结时，它们将与ZrO2形成立方固溶体，冷却 后仍能保持稳定的立方相固溶体，消除了单斜相与四方相的 转变，没有体积效应，可避免ZrO2开裂。 • FSZ:加入适量的c-ZrO2稳定剂，可在室温下获得c-ZrO2单 相材料。经过这种稳定处理的ZrO2称为完全稳定氧化锆 • PSZ:完全稳定的ZrO2力学性能低，抗热震性能差。