中国粉体网讯 Al2O3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Al2O3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Al2O3基体中添加增韧材料，可明显改善这一现象[2]。
在ZTA陶瓷中，Al2O3基体上均匀弥散分布着ZrO2粒子，随着温度的变化，ZrO2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ZrO2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Al2O3陶瓷的韧性和强度[3，4]。
ZTA陶瓷粉体的制备方法
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。要制备性能优异的氧化锆增韧氧化铝陶瓷，获得优质的ZrO2/Al2O3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制备工艺有混合法、溶胶－凝胶法、共沉淀法和水热合成法等不同方法。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颗粒能够包裹ZrO2，以产生良好的增韧效果。
机械混合法
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[6]。余明清等人[7]采用工业纯的Al2O3粉、苏州土、碳酸钠等原料制成92Al2O3瓷粉，然后加入(1.5Y，4Ce)-ZrO2，用球磨机机械混合，制备出了92 Al2O380wt%-(1.5Y，4Ce)- ZrO220wt%的复合粉料，在1550℃烧结出的瓷体，抗弯强度、断裂韧性、硬度均得到改善。
Mangalaraja等人[8]考察了用化学纯的Al2O3、ZrO2、CeO2机械混合制成的复合粉体的性能，他们发现，这种复合粉体制备的陶瓷材料因为混合不均匀而出现较高的气孔率，使材料的机械性能下降。
溶胶－凝胶法
溶胶－凝胶法是指有机或者无机的锆（铝）盐在溶液中均匀混合，然后经水解、聚合反应生成透明的溶胶体系，所得溶胶经过老化、聚合形成凝胶，最后凝胶经过干燥、煅烧等步骤得到ZrO2/Al2O3纳米复合粉体，这种方式可以使ZrO2在Al2O3中得到良好的分散[5]。张大海等人[9]以无机盐硝酸氧锆ZrO(NO3)2·2H2O，硝酸铝Al(NO3)3·9H2O为主要原料，将两种先驱体溶液混合，加入6次甲基四胺获得溶胶，水浴得凝胶，陈化、干燥后，经过煅烧得到50% Al2O3-50% ZrO2超细复合陶瓷粉体。
曾峰等[10]在40℃水浴下，将0.2g柠檬酸和1.6g聚氧乙烯聚氧丙烯溶解于10mL含有0.8g浓盐酸的无水乙醇中，直至该混合溶液搅拌至澄清，再向该溶液中加入0.008mol异丙醇铝及一定配比的氧氯化锆，接着继续搅拌24h。将所得白色溶胶倒入培养皿中并放入鼓风干燥箱中进行热处理至干燥；将干燥后的样品放入马弗炉中煅烧，除去有机物和易挥发的物质，最终得到氧化锆-氧化铝复合粉体。最后，将粉体在SPS中进行烧结，获得高性能复合陶瓷。
化学共沉淀法
如果原料溶液中有以均相存在与溶液中的两种及以上阳离子，在加入沉淀剂发生沉淀反应后，可得到符合要求的成分配比和均匀的粉体，这就是共沉淀法[3]。高濂等[11]以AlCl3·6H2O和ZrOCl2·8H2O为前驱体，氨水为混合溶液制备出平均晶粒尺寸与20nm的ZTA复相陶瓷粉体，该粉体采用高温等静压法烧结后得到密度约98%的致密陶瓷。
水热合成法
一般来说，金属盐类在高压和高温的水溶液中会表现出与常温常压下完全不同的性质，如离子活度增强、溶解度增大、氢氧化物易脱水和化合物晶体结构易转型等[3]。水热法制备ZTA复相陶瓷粉体正是利用这些性质，采用水溶液作为反应介质，在特制的密闭反应容器（如高压反应釜）中，通过对反应容器创造一个高温、高压的环境，使金属盐类在水热介质中溶解，进而成核、生长，最终形成具有一定结晶形态和粒度的晶粒。严泉才[12]将Al、Zr、Y盐的混合溶液滴入氨水溶液中，共沉淀后，将前驱物再置于高压反应釜中进行水热处理，干燥后即可得到烧结性良好的粉体，此工艺省去了高温煅烧的环节且制备的粉体纯度较高。
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。一般说来，干法成型广泛应用于简单的陶瓷部件，由于其操作简单，因此能够适用于大规模的工业化生产。但是干压成型制备陶瓷，很难完全消除粉料的团聚行为，这在一定程度上必然会影响最终陶瓷制品的性能，有研究者认为如何防止团聚及解决团聚问题是制备性能优异的陶瓷所必须面对的难题。湿法成型需要先将ZrO2/Al2O3纳米复合粉体分在液体中制备成悬浊液，湿法成型是将粉体的团聚问题转化成了粉料的分散性问题，有效的控制了素坯中团聚体的生成[5]。
氧化锆增韧氧化铝陶瓷烧结
氧化锆增韧氧化铝陶瓷烧结可分为有无压烧结、热压烧结和热等静压烧结等。吴利翔等[1]以无水乙醇为溶剂，按配方配料后，放入聚四氟乙烯球磨罐中，球磨24h后取出，经旋转蒸发后放入烘箱干燥，将粉料过筛，经干压及200MPa冷等静压成型。将冷等静压后的坯体放入管式炉中无压烧结，以10℃/min升温至1550℃，保温2h，随炉冷却后，得到Al2O3陶瓷。
热压烧结可使氧化锆增韧氧化铝陶瓷高度致密化。与无压烧结相比，热压烧结的优点之一是可以避免差分烧结，这有利于显微结构的控制与力学性能的提高。但另一方面，热压烧结中的外加压力可以导致基体中产生残余应力，从而影响ZrO2晶粒的四方到单斜的相变，降低了氧化锆增韧氧化铝陶瓷性能的各向同性。
结束语
综上所述，ZTA陶瓷的应用范围相当广泛，但是制备出性能适合的复合粉体相当关键。同时还要需要根据不同的需求选择相应的成型、烧结工艺，才能获得满足设计和性能要求的陶瓷材料。
参考文献：
[1]吴利翔，王宏建，郭伟明，邢宇东，林华泰.氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具的制备及其切削性能[J].硅酸盐学报，2016，44(09):1347-1351.
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[3]隋育栋.氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷制备工艺的研究进展[J].科技创新与应用，2020(13):109-110.
[4]N.Claussen，J.Steeb，Toughening of Ceramic Composites by Oriented Nucleation of Microcracks[J].Journal of the American Ceramic Society，1976，59（9-10）：457-458.
[5]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?[J].陶瓷，2018(05):78-79.
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[7]余明清.范仕刚.(Y，Ce)-ZrO2增韧92Al2O3陶瓷的研究.硅酸盐通报.2002年第4期:31-35
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[11]高濂，宫本大树.高温等静压烧结Al2O3-ZrO2纳米陶瓷[J].无机材料学报，1999，14（3）：495-498.
[12]严泉才.ZTA陶瓷粉体的水热合成及其烧结特性[J].现代陶瓷技术，1994，62（4）：12-15.
（中国粉体网编辑整理/山川）
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