陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，可用作結(jié)構(gòu)材料、刀具材料及功能材料。不過(guò)由于在陶瓷中缺少獨(dú)立的滑移系，材料一旦處于受力狀態(tài)就難于通過(guò)滑移所引起的塑性形變來(lái)松弛應(yīng)力，因此具有脆性大、易斷裂的缺點(diǎn)。

多年來(lái)許多研究者提出多種增韌補(bǔ)強(qiáng)方法和先進(jìn)的工藝技術(shù)，通過(guò)在陶瓷材料中添加增強(qiáng)相如TiC、TiN、TiB、(W，Ti)C、WC、ZrO₂、Y₂O₃等成分，利用第二相、第三相材料進(jìn)行顆粒彌散強(qiáng)化、纖維補(bǔ)強(qiáng)、晶須增韌、相變?cè)鲰g或協(xié)同增韌補(bǔ)強(qiáng)，都可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高。其中利用部分穩(wěn)定氧化鋯進(jìn)行增韌是最為成功的增韌方法之一，除了可增韌穩(wěn)定的氧化鋯以外，還可對(duì)氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來(lái)石等氧化物陶瓷進(jìn)行增韌。本篇文章就帶大家了解一下如何利用氧化鋯提升陶瓷產(chǎn)品的韌性。

氧化鋯增韌機(jī)理

氧化鋯增韌陶瓷是多種機(jī)制相互作用的結(jié)果，包括相變?cè)鲰g、應(yīng)力微裂紋增韌、殘余應(yīng)力增韌鐵和彈性增韌等。

1.相變?cè)鲰g

氧化鋯有低溫型單斜相（m-ZrO₂）、中溫型四方相（t-ZrO₂）和高溫型立方相（c-ZrO₂）三種晶相，它們?cè)谝欢囟群蛪毫ο戮哂锌赡孓D(zhuǎn)變，單斜相在室溫至1170 ℃穩(wěn)定存在，1 170 ℃～2 370 ℃為亞穩(wěn)態(tài)四方相，而2 370 ℃以上則轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷胤€(wěn)定態(tài)立方相結(jié)構(gòu)，相變?cè)鲰g利用的就是ZrO₂的這種馬氏體相變的特性。

氧化鋯三種晶型及其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系

氧化鋯增韌的陶瓷燒結(jié)后在冷卻過(guò)程中原本會(huì)從亞穩(wěn)態(tài)的四方相轉(zhuǎn)變成單斜相，氧化鋯體積膨脹，但當(dāng)氧化鋯粒子足夠小或基體的束縛力足夠大時(shí)，相變將會(huì)受到阻礙，因此在室溫下四方相得以保留。當(dāng)受到外力時(shí)，由于基體對(duì)氧化鋯的束縛減弱，使亞穩(wěn)態(tài)的四方相又重新變?yōu)閱涡毕啵⑽漳芰恳痼w積膨脹和剪切應(yīng)變，使主裂紋擴(kuò)展需要更大的能量，有效阻止了裂紋擴(kuò)展，從而提升了陶瓷產(chǎn)品的韌性。

2.應(yīng)力微裂紋增韌

在一定條件下，t→m相變伴隨的體積膨脹相變?cè)诨w中引起均勻分散又不互相連接的微裂紋。當(dāng)主裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中遇到這些微裂紋時(shí)，其擴(kuò)展路徑將改變方向或分叉，降低了裂紋尖端的局部應(yīng)力集中，并阻礙主裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的能力，達(dá)到增加斷裂韌性的效果。因此當(dāng)微裂紋相互獨(dú)立時(shí)，微裂紋密度越高，增韌效果越好，但也同時(shí)導(dǎo)致有效彈性模量的降低

微裂紋增韌機(jī)制

3.殘余應(yīng)力增韌

當(dāng)相變過(guò)程積累的體積膨脹不足以產(chǎn)生微裂紋時(shí)，m-ZrO₂晶粒周圍產(chǎn)生殘余應(yīng)力。裂紋擴(kuò)展至殘余應(yīng)力區(qū)域時(shí)，殘余應(yīng)力得以釋放，并起到閉合主裂紋的作用，增大主 紋擴(kuò)展阻力從而提高材料的斷裂韌性。

4.鐵彈性增韌

鐵彈性增韌是氧化鋯陶瓷(含t’-ZrO₂)增韌的附加機(jī)制，這種增韌方式能夠提升材料在高溫下的斷裂韌性。氧化鋯在高溫下會(huì)形成鐵彈疇，當(dāng)加載應(yīng)力和釋放應(yīng)力時(shí)，并不會(huì)改變氧化鋯的晶體結(jié)構(gòu)，而是使鐵彈性疇在應(yīng)力作用下重新定向、變形（類似于橡皮筋），從而起到應(yīng)力緩沖作用，大大提高了材料的高溫?cái)嗔秧g性。

如何利用氧化鋯最大限度提升陶瓷增韌效果？

1.添加合適劑量的穩(wěn)定劑

相變?cè)鲰g是利用氧化鋯增韌的主要機(jī)制，但在常溫下t-ZrO₂無(wú)法穩(wěn)定存在，因此需要添加一定含量的穩(wěn)定劑，使t-ZrO₂穩(wěn)定性增強(qiáng)。不過(guò)需要注意的是，穩(wěn)定劑的添加量并非越多越好，過(guò)量的引入反而會(huì)將降低四方氧化鋯的相變活性，抑制t→m相變，反而不利于韌性的提高。

目前來(lái)說(shuō)，摻雜離子半徑低于四價(jià)的堿土和稀土金屬氧化物如氧化鈣、氧化鎂、氧化釔等作為穩(wěn)定劑是獲得室溫下穩(wěn)定的四方或立方氧化鋯十分有效的方法。其穩(wěn)定機(jī)理是，將穩(wěn)定劑的陽(yáng)離子溶解在氧化鋯中，可以取代其中Zr⁴⁺的位置，形成置換型固溶體，阻礙四方型氧化鋯向單斜晶型的轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)室溫立方或四方氧化鋯的穩(wěn)定。

常見(jiàn)的摻雜陽(yáng)離子

2.采用合適粒徑的氧化鋯

ZrO₂晶粒尺寸對(duì)相變產(chǎn)生重要影響。氧化鋯陶瓷的室溫組織中存在一種臨界相變尺寸，即當(dāng)晶粒尺寸小于臨界相變尺寸時(shí)，其室溫相為t相。當(dāng)四方氧化鋯燒結(jié)體的晶粒尺寸和相變臨界尺寸接近時(shí)，其增韌效果最佳。而晶粒尺寸遠(yuǎn)小于臨界尺寸，四方氧化鋯穩(wěn)定，在斷裂時(shí)四方相氧化鋯不容易變成單斜相，對(duì)相變無(wú)明顯作用；晶粒尺寸遠(yuǎn)大于臨界尺寸時(shí)，在基體中的四方相很容易相變成單斜相，從而產(chǎn)生微裂紋，削弱相變?cè)鲰g的作用。因此，可通過(guò)選取合適粒徑的氧化鋯作為增韌相或通過(guò)加入穩(wěn)定劑來(lái)改變相變臨界尺寸，從而使大部分氧化鋯的晶粒尺寸控制在臨界尺寸范圍，獲得亞穩(wěn)態(tài)的四方相氧化鋯。

3.增加可相變的四方氧化鋯含量

在兩相的復(fù)相陶瓷中，母相與t-ZrO₂的彈性模量和熱膨脹系數(shù)不一致，母體對(duì)氧化鋯晶粒的抑制產(chǎn)生了抵抗相變的應(yīng)變能，在受到外力后，氧化鋯晶粒則會(huì)脫離母體的束縛引發(fā)相變。

一般來(lái)說(shuō)，可相變的t-ZrO₂體積分?jǐn)?shù)越大，材料的增韌效果越大，斷裂韌性越高，但由于t-ZrO₂相變存在一個(gè)最佳的尺寸范圍，即臨界晶粒尺寸，因此為了得到最佳的增韌效果，應(yīng)盡可能地增加可相變的四方氧化鋯含量，以提高其體積分?jǐn)?shù)。

4.提高氧化鋯顆粒在基質(zhì)中分散性

在應(yīng)力微裂紋增韌機(jī)制中，利用的是均勻分散又不互相連接的微裂紋來(lái)改變裂紋擴(kuò)展路徑，由此分散主裂紋尖端的局部應(yīng)力，達(dá)到提高材料韌性的效果，而為了產(chǎn)生均勻分散的微裂紋，t-ZrO₂在基體中分布應(yīng)盡量均勻。

參考來(lái)源：

豆雨欣,羅紹華,張顯,等.氧化鋯陶瓷增韌機(jī)制及其粉體制備的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào).

姚嘉煒. 氧化鋯陶瓷材料的制備新工藝與組織性能[D].華南理工大學(xué).

李翔,張秀香,戴姣燕,等.粉體粒徑對(duì)氧化鋯陶瓷斷裂韌性的影響[J].機(jī)械工程材料.

粉體圈Corange整理