中国粉体网讯 氧化锆是材料领域中具有特殊地位的一种重要的氧化物，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。
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陶瓷材料的应用范围。因此必须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。
氧化锆陶瓷的增韧方式
氧化锆陶瓷材料实现增韧的基础是发生t→m相变，主要机制为：相变增韧、微裂纹增韧和残余应力增韧。
相变增韧
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。这就是著名的Garvie应力诱导相变增韧机理。另外，相变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。如：铁电/压电性畴转变增韧机制，在压电陶瓷材料中，利用使产生裂纹的外应力转变为电能，从而达到增韧的目的。
微裂纹增韧
t→m相变伴随体积膨胀，使得相变区域形成很多微裂纹。当主裂纹在扩展过程中遇到微裂纹，主裂纹的扩展路径将改变方向或分叉。此外，主裂纹尖端除由于应力集中而诱发相变，产生微裂纹，起到分散主裂纹尖端能量的作用，从而提高材料的断裂韧性。当微裂纹相互独立时，微裂纹密度越高，增韧效果越好。
残余应力增韧
陶瓷材料可以通过引入残余压应力达到增强韧化的目的。控制含弥散四方相的 ZrO2颗粒的陶瓷在表层发生四方相向单斜相的相变，引起表面体积膨胀而获得表面残余压应力。由于陶瓷断裂往往起始于表面裂纹，表面残余压应力有利于阻止表面裂纹的扩展，从而起到增强增韧的效果。尺寸较小的ｔ相粒子相变时，总膨胀应变小，应变能也小，不足以使基体产生微裂纹，那么这些应变能就以残余应力的形式储存下来。当主裂纹扩展进入残余应力区时，残余应力释放，阻碍主裂纹的进一步扩展，这种韧化机制被称为残余应力增韧机制。
氧化锆增韧陶瓷的种类和特点
根据亚稳四方相氧化锆在应力诱导下的相变增韧作用，氧化锆相变增韧主要有四方多晶氧化锆增韧陶瓷(TZP)、部分稳定氧化锆增韧陶瓷(PSZ)、氧化锆增韧陶瓷(ZTC)。
四方多晶氧化锆增韧陶瓷
当在氧化锆中添加适量的稳定剂时，可以使t-ZrO2以亚稳定状态保存至室温，其显微结构特征为结构中四方相氧化锆细晶占组成的绝大部分，这种陶瓷材料称之为四方多晶氧化锆陶瓷。这种陶瓷通常在四方相单相区内烧结，冷却过程中不会发生相变，室温保留大部分甚至全部四方相，烧结体中四方相氧化锆的含量往往依赖于烧结体的晶粒尺寸和烧结体的密度，基由烧结温度和保温时间控制，常用的YZP材料有Y-TZP、Ce-TZP等。
部分稳定氧化锆增韧陶瓷
当氧化锆稳定剂加入量在某一范围时，高稳定的c-ZrO2通过在适当的温度下的时效处理使c-ZrO2大晶粒析出许多细小纺锤状的四方相晶粒，形成立方相和四方相的双相组织结构。其中立方相是稳定的，而四方相是亚稳定的，并一直保存到室温。在外力诱导下诱发t→m相并伴随体积膨胀，耗散部分能量、抵消了部分外力从而起到了增韧作用，这类陶瓷称为部分稳定氧化锆陶瓷。
这种陶瓷通常在立方相固溶区烧结，形成均匀的立方相基体，烧成后经过适当的冷却使细的四方相在立方相晶粒间均匀析出。当析出的四方相处于临界尺寸时，相变增韧的效果最佳，在制备过程中可通过控制热处理的温度和时间来获得特定形貌和尺寸的四方相氧化锆晶粒。常用的PSZ陶瓷主要有MgO部分稳定的氧化锆增韧陶瓷Mg-PSZ和CaO部分稳定的氧化锆增韧陶瓷Ca-PSZ等。
氧化锆增韧陶瓷
如果在其他种类陶瓷基体中加入一定量的四方氧化锆，并使其均匀分散在陶瓷基体中，利用氧化锆相变增韧机制使陶瓷的韧性得到明显的改善。这种陶瓷称为氧化锆增韧陶瓷。常见的ZTC材料有氧化锆增韧氧化铝和氧化锆增韧莫来石，分别为ZTA、ZTM。
参考资料：
袁明、陈萍华等.氧化锆陶瓷增韧方法的研究进展
ZrO2的结构、力学性质与应用研究进展
吕戌生.氧化锆复相陶瓷材料研究
姚嘉炜.氧化锆陶瓷材料的制备新工艺与组织性能
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