氧化锆陶瓷增韧方法的研究进展

袁明

陈萍华

摘增韧等。

关键词：氧化锆

陶瓷

增韧

进展

增大裂纹扩展所需克服应力；2．消耗裂纹扩展的能量，的能垒；3．转换裂纹扩展的能量。

陶瓷的增韧方法包括：相变增韧、颗粒增韧、纤维增韧、自增韧、弥散韧化、协同增韧、纳米增韧等。

相变增韧即：亚稳定四方相t—ZrO2在裂纹尖端应形成单斜相，产生体积膨力场的作用下发生一相变，

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

［9］

蒋华麟舒红英谢伟杰何伟邹芳林艺

（南昌航空大学环境与化学工程学院，江西南昌330063）

要：本文综述了氧化锆的物理、化学性质、应用性能及改善氧化锆陶瓷韧性的方

增韧的方法主要有：相变增韧、颗粒增韧、纤维增韧、自增韧、弥散韧化、协同增韧、纳米法，

具氧化锆是一种研究得最多的氧化物材料之一，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展

［2］

［1］

，在电

子陶瓷、功能陶瓷和结构陶瓷等方面的应用迅速发

。这些特种陶瓷（或称新型陶瓷）材料是电子、航

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天、航空和核工业的基础材料，在高新技术领域中的应用异常活跃

，例如某种火箭中用特种陶瓷材料制

造的零部件占80%，一台彩电接收机用特种陶瓷材料制造的元件占75%，一台自动控制系统的调节范围、精确度和灵敏度等主要指标取决于传感器的性能，而制造传感器则主要取决于功能陶瓷材料。

二氧化锆是高熔点金属氧化物，分子式为ZrO2，相对分子质量为123．22，熔点为2715℃，软化点在2390

［7］

～2500℃之间，。沸点约为4300℃，莫氏硬度为7

。

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。外界条件对氧化锆陶瓷相变有很大的影响，如：激光冲击寸和含量断裂。

KathleenB．Alexander等人在1995年研究了氧化铝－氧化锆复合材料（≥20vol%ZrO2）的内部应力和马氏体开始转变的温度（Ms）：氧化锆的马氏体开始转变的温度Ms由单斜，四方两相的热膨胀系数的差异引起的内应力引起的。内应力随氧化锆含量的减少而粒子大小增大而增大。低氧化锆含量导致了氧化锆粒子的单独存在，而高氧化锆含量导致了氧化锆粒子的相互连接，在氧化锆相变增韧时需要添加适当的量

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、、疲劳断裂韧性、低温晶粒尺

［15，16］

［17］［18］、临界转变能量、大气中的水蒸汽

纯的ZrO2在常压下共有三种晶型：从低温到高温依次为单斜相（mon℃linic）、四方相（tetragonal）和立方相（cubic）。

作为陶瓷材料氧化锆在高温煅烧后冷却过程发生t－m的相变时伴随3～5%的体积膨胀，使氧化锆材料限制了其应用。R．C．Garvie等报道了氧化锆中开裂，

掺入钙添加剂得到陶瓷材料的韧性提高。这使得学者们不断地研究如何在室温下将氧化锆稳定在四方相或立方相，扩大其应用范围

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等。如果相变产生大的应力和体积变化，则产品容易

。

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。只有改善陶瓷的断裂韧性，实现材料强韧化，提高其可靠性才能使陶瓷材料真正地成为一种广泛应和使用寿命，

因此，陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的用的新型材料，热点。

氧化锆陶瓷主要有以下几种：部分稳定氧化锆陶PSZ）；四方氧化锆多晶体瓷（partiallystabilizedzirconia，

TZP）；氧化锆增韧陶瓷（tetragonalzirconiapolycrystal，ZTC）。陶瓷（ZirconiaToughenedCeramics，

陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，那么如何阻止裂纹扩展呢？主要的方法有：1．分散裂纹尖端

。

颗粒增韧：用颗粒做增韧剂，尽管效果不及晶须与纤维，但若颗粒种类、粒径、含量和基体材料选择得当，仍有一定的强韧效果，而且其优点是简便易行，增韧的同时会带来高温强度和高温蠕变性能的改善。颗粒增韧的韧化机理主要有细化基体晶粒和裂纹转向分叉等。

拉脱/桥接效应—纤维、晶须增韧原理即：在紧靠裂纹尖端的晶体，由于变形而给裂纹表面加上了闭合应力，抵消裂纹尖端的外应力，钝化裂纹扩展，从而起到了增韧作用；此外，裂纹扩展时，柱状晶体的拔出时也要克服摩擦力，也会起到增韧的作用。JefferyJ．