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氧化锆陶瓷增韧的研究及发展现状

李勇辉

摘要：氧化锆相变增韧陶瓷及其相交增韧效应在改善陶瓷室温脆性方面具有划冲代意义，其中，四方氧化锆陶瓷（TZP）和氧化锆增人氧化铝（ZTA）是两类经典之作。本文将综合论述有关氧化锆以及氧化锆增韧陶瓷的现状和发展前景。

关键词：氧化锆；增韧；陶瓷；综述1、氧化锆增韧陶瓷

氧化锆的熔点高达2700℃，耐热性、耐蚀性优良，热导率在常见的陶瓷材料中最低，热膨胀系数又最大，与金属材料较为接近。完全稳定化氧化锆（FSZ）易产生较高酌热应力，但部分稳定氧化锆（PSZ）具有强度高，脆性低，较高的断裂韧性，被认为是发动机上最有前途的陶瓷材料。美国康明斯公司已有该种产品面世，日本也有许多用氧化锆陶瓷制造的发动机部件。目前使用得最多的含氧化锆陶瓷系列是：氧化锆增韧氧化铝（ZTA）；部分稳定氧化锆（PSZ）；四方氧化锆多晶体（TZA）。这三种陶瓷都具有高的强度和良好的韧性。优良的性能起源于四方氧化锆经受应力诱导相变转变为单斜相相变，该相变同时伴有体积膨胀，这种现象称为相变增韧。相变增韧氧化锆陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷，其主要是利用氧化锆相变特性来提高陶瓷例料的断裂韧性和抗弯强度，使其具有优良的力学性能，低的热导率和良好的抗热层性。它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度，是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂。近10年来，具有各种性能的公认陶瓷和以氧化锆为相变增韧物质的复合陶瓷迅速发展，在工业和科学技术的许多领域获得了日益广泛的应用。与此同时，有关氧化锆相变的研究也受到了学术界的普遍重视，在固态相变研究领域中占据了仅次于金属的重要地位。

陶瓷材料具有优异的耐磨性、耐蚀性和高温性能，但是由于陶瓷固有的脆性，限制了其实际应用范围，因此，改善陶瓷材料的脆性，增大强度以提高其在实际应用中的可靠性，成为其能够广泛应用的关键。

2、部分稳定氧化锆

部分稳定氧化锆具有良好的热稳定性，粉粒活性也好，有利于烧结。全稳定的纯氧化锆陶瓷具有良好助弹性和增韧性能，可改善陶瓷材料的脆性弱点。如用传统方法或氯化物溶解法制备的氧化锆搀和5%氧化钙进行稳定，组织中合有立方相氧化锆基体晶粒、非常细小的晶内亚稳四方相粒子及单斜氧化锆粒子，其中的单斜氧化锆粒子具有两种形貌———粗大的孪晶界粒子和细的但仍具有孪晶待征的晶内粒子。四方相在应力诱导下转变为单斜相的相变使该材料呈现出优良的机械性能。

3、四方氧化锆多晶体

这种陶瓷材料的晶粒很小，为了使亚稳的四方相保留下来，必须采用超细、高纯的氧化锆粉体，且要准确控制氧化钇的含量，烧结工艺中要采用低的温度（1400℃）。四方氧化结陶瓷（TZP）通过相变增韧具有很高的强度和断裂韧性，但在中高温下由于相变增韧作用的逐渐消失力学性能迅速下降。在TZP基体中加入第二相粒子成为复合材料．是提高TZP韧性和高温力学性能的有效方法。

Y—TZP即为含纪的多晶四方氧化锆。它具有高强度、高断裂韧性、高耐磨等优良的机械性能，但是在200一300℃下即产生强度“退化”现象，这主要由于四方一单斜的转化，而造成大量的微小型纹所致。前面已经论及四方一单斜随温度变化可以引起相变外，与四方相的颗料大小也密切相关，随着颗粒变小，相变强度也随之降低。颗粒大小低于一定程度，温度即使降低至室温或更低温度下也不会相变，所以为了防止其相变发生，只有减少颗粒尺寸才能保待TZP的高性能。Y—T双晶粒尺寸必须小于1微米，对Ce－TZP一般控制在小于6—9微米。随着工艺的不同，其强度也不同。Y—TZP采取常压、热压和等静压烷结三种工艺，其室温抗弯强度分别为1000一1300MPa，1500—1700MPa，2500MPa。

4、氧化锆超塑性陶瓷

对于金属等塑性材料，可以来用高效率、低成本的塑性加工，但对脆性的陶瓷来说，则很难进行塑性加工。1975年加维（Garvie）等制成

。通过控制配氧化锆相变增韧陶瓷材料，发现了陶瓷的“超塑性现象”

料和烧结，获得均匀的微细晶粒侥结体，实现微细晶粒的超塑性，将会代替氧化铝等陶瓷材料，用做耐磨材料，例如机械密封件、球磨介质、陶瓷轴承、金属挤压模具、内燃机零部件等，目前已在石油、采矿和机械制造等工业部门中大量应用，促进了结构陶瓷材料的更新换代。此外，由于具有很高的断裂韧性，还可用于制作日用刀具和高尔夫球挥击球块等体育用品。

陶瓷材料要具有超塑性，必须具有下列四个基本条件，即晶粒尺寸要细小（0．3一0．5um以下），晶粒属等轴晶系，变形时结构稳定，在一定的应变速率和温度范围内。氧化锆陶瓷基本上符合这些原则。对于Y—TZP，其压缩变形真实应变为一1．8%，拉伸应变达200%一300%。20%（质量分数）氧化铝－TZP复合体．其压缩变形真实应变为一1．8%，拉伸应变则为200%。根据近期研究，影响其超塑性的主要因素有下列几个方面：

（1）晶粒大小品粒越细，晶界面积越大，产生塑性变形就越大。（2）温度在压力恒定下，应变速率随着温度提高而增加。

（3）应变速率大小尤其在位伸变形时，较低的应变速率（如1．02×10－s可获大于200%的拉伸变形，因为应变速率过大，在晶界处易形成空洞等，以致造成过早的断裂。

（4）空洞大小要保持较低的应变速率，以抑制空洞的生成。超塑性氧化锆陶瓷主要用于发动机中活塞环，随着研究的深入，其应用前景是广阔的。氧化锆材料高温下具有导电性，其晶体结构存在氧离子缺位的特性，可制成各种功能元件。

5、总结

氧化锆陶瓷及其增韧技术属于现阶段最为成熟的陶瓷增韧方法之一，应用也较为广泛，但由于其本身特性所限，氧化锆并不能解决所有陶瓷增韧问题，其发展也受到限制。但是由于氧化锆增韧陶瓷本身还有很大的性能开发还远没有打到理论值，所以氧化锆增韧陶瓷在可预见的未来仍有广阔的市场生存空间。（作者单位：郑州大学材料科学与工程学院）

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作者简介：李勇辉（1992—），男，郑州大学材料科学与工程学院2009级陶瓷复合专业一班；籍贯：河南漯河市。

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