氧化锆陶瓷是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。氧化锆陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点，氧化锆陶瓷的种类和增韧方法有哪些呢？下面由科众陶瓷厂来为大家介绍关于氧化锆陶瓷的种类和增韧方法。
 

氧化锆陶瓷棒
 

作为特种(zhong)陶(tao)(tao)瓷材(cai)料(liao)在电子、航(hang)天、航(hang)空(kong)和(he)(he)核工业等高新(xin)技术领(ling)域具有广(guang)阔的(de)(de)应(ying)用(yong)前景。然(ran)而(er)氧化锆陶(tao)(tao)瓷材(cai)料(liao)的(de)(de)致(zhi)命缺点是脆性(xing)(xing)，低可靠性(xing)(xing)和(he)(he)低重复性(xing)(xing)，这些(xie)不足严重影响(xiang)了(le)其应(ying)用(yong)范围(wei)。只有改善氧化锆陶(tao)(tao)瓷的(de)(de)断(duan)裂韧性(xing)(xing)，实现材(cai)料(liao)强韧化，提高其可靠性(xing)(xing)和(he)(he)使用(yong)寿(shou)命，才(cai)能使氧化锆陶(tao)(tao)瓷真(zhen)正地成为一种(zhong)广(guang)泛应(ying)用(yong)的(de)(de)新(xin)型材(cai)料(liao)，因此，氧化锆陶(tao)(tao)瓷增韧技术一直是陶(tao)(tao)瓷研究的(de)(de)热点。
 

氧化锆陶瓷环

 

一、氧化锆增韧陶瓷的种类

氧(yang)化锆增韧(ren)陶(tao)瓷(ci)主要有稳定氧(yang)化锆陶(tao)瓷(ci)、部分(fen)稳定氧(yang)化锆陶(tao)瓷(ci)、四方氧(yang)化锆多晶体陶(tao)瓷(ci)、氧(yang)化锆超(chao)塑性陶(tao)瓷(ci)。
 

1、稳定氧化锆陶瓷

稳(wen)定(ding)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)锆(gao)陶瓷(ci)是在(zai)制备氧(yang)(yang)(yang)化(hua)锆(gao)粉体(ti)时添加(jia)一(yi)定(ding)数(shu)量的稳(wen)定(ding)剂使之固溶入(ru)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)锆(gao)内(nei)，形成立方相氧(yang)(yang)(yang)化(hua)锆(gao)，在(zai)整个温度范围内(nei)不发生相变(bian)，也就没有体(ti)积变(bian)化(hua)的陶瓷(ci)材料。常用的稳(wen)定(ding)剂主要有CaO、MgO、Y2O3、CeO2等。

稳(wen)定氧化锆陶瓷(ci)在泡沫陶瓷(ci)、生物陶瓷(ci)、特(te)种耐火材料铸口、冷成形工(gong)(gong)具、整(zheng)形模、拉丝模、切削工(gong)(gong)具、新能源电(dian)池电(dian)解质隔膜等领域具有广(guang)泛(fan)的应(ying)用。
 

2、部分稳定氧化锆陶瓷

部分(fen)稳定(ding)氧化(hua)锆具有强(qiang)度高(gao)(gao)，脆性低(di)，较高(gao)(gao)的断裂(lie)韧(ren)性，被认为是(shi)发动机上最有前途的陶瓷材料。

采用传统方法(fa)或氯化(hua)物溶解法(fa)制备的(de)(de)氧化(hua)锆搀和(he)5%氧化(hua)钙(gai)进行稳定，组(zu)织中合有(you)立方相氧化(hua)锆基体(ti)晶(jing)粒(li)、非常细小的(de)(de)晶(jing)内(nei)亚稳四方相粒(li)子(zi)(zi)及单(dan)斜(xie)氧化(hua)锆粒(li)子(zi)(zi)，其(qi)中的(de)(de)单(dan)斜(xie)氧化(hua)锆粒(li)子(zi)(zi)具有(you)两种形貌，即：粗(cu)大的(de)(de)孪(luan)晶(jing)界粒(li)子(zi)(zi)和(he)细的(de)(de)但仍具有(you)孪(luan)晶(jing)待征(zheng)的(de)(de)晶(jing)内(nei)粒(li)子(zi)(zi)。四方相在(zai)应力诱(you)导下(xia)转变为单(dan)斜(xie)相的(de)(de)相变使该材料(liao)呈现出优良的(de)(de)机(ji)械(xie)性能。
 

3、四方氧化锆多晶体陶瓷

四方氧(yang)(yang)化(hua)锆(gao)多晶体陶瓷的(de)晶粒很(hen)小，为了使亚稳的(de)四方相保(bao)留下(xia)来，必(bi)须采用超(chao)细、高纯的(de)氧(yang)(yang)化(hua)锆(gao)粉体，且要准确控制氧(yang)(yang)化(hua)钇的(de)含量，烧结(jie)工艺中(zhong)要采用低的(de)温度（1400℃）。

四方氧(yang)化锆(gao)陶瓷通过(guo)相变增韧(ren)具有(you)很高(gao)(gao)的强度(du)和断裂韧(ren)性(xing)，但在(zai)中(zhong)高(gao)(gao)温下由于相变增韧(ren)作用(yong)的逐渐消失力(li)学(xue)性(xing)能迅速下降。在(zai)基体中(zhong)加入第二相粒子成为(wei)复合材料是提高(gao)(gao)韧(ren)性(xing)和高(gao)(gao)温力(li)学(xue)性(xing)能的有(you)效方法。
 

4、氧化锆超塑性陶瓷

氧化锆超塑性陶瓷(ci)是通过(guo)控(kong)制配料和烧结(jie)，获得(de)均匀的微(wei)细晶粒(li)侥结(jie)体，实现微(wei)细晶粒(li)的超塑性。影响氧化锆陶瓷(ci)超塑性的主(zhu)要因素(su)有下列几个方面：

（1）晶(jing)粒大(da)小。品粒越(yue)细(xi)，晶(jing)界(jie)面积(ji)越(yue)大(da)，产生塑性变形就越(yue)大(da)。

（2）温(wen)度(du)。在压力(li)恒(heng)定(ding)下，应变速率(lv)随(sui)着(zhe)温(wen)度(du)提高(gao)而增加。

（3）应变(bian)速(su)率(lv)大(da)小。尤其在(zai)(zai)位伸变(bian)形(xing)时，较低的应变(bian)速(su)率(lv)可获大(da)于200%的拉伸变(bian)形(xing)，因为应变(bian)速(su)率(lv)过大(da)，在(zai)(zai)晶(jing)界处易形(xing)成空洞(dong)等，以致造成过早的断裂(lie)。

（4）空(kong)洞(dong)大小。要保持较(jiao)低的应变速率，以(yi)抑(yi)制空(kong)洞(dong)的生(sheng)成。

目(mu)前，超(chao)塑性氧化锆陶瓷(ci)主要用于发动机(ji)中活(huo)塞环(huan)，随着研(yan)究(jiu)的深入(ru)，其应(ying)用前景(jing)是广(guang)阔的。氧化锆材(cai)料高温下具有导电性其晶体结(jie)构存在氧离子缺位的特性，可(ke)制成各种功能元件。

二、氧化锆陶瓷的增韧方法：

目前，氧化锆陶瓷的增(zeng)韧(ren)方法(fa)主要有：相变(bian)增(zeng)韧(ren)、颗粒增(zeng)韧(ren)、纤(xian)维增(zeng)韧(ren)、自(zi)增(zeng)韧(ren)、弥散韧(ren)化、协同增(zeng)韧(ren)、纳米增(zeng)韧(ren)等。
 

1、相变增韧

相变(bian)(bian)增韧是指(zhi)亚稳(wen)定四方相t—ZrO2在裂纹尖端应(ying)力(li)场的(de)(de)作用下发生一相变(bian)(bian)，形成单斜相，产生体(ti)(ti)积(ji)膨胀，从(cong)而(er)对裂纹形成压(ya)应(ying)力(li)，阻碍裂纹扩展(zhan)，起到增韧的(de)(de)作用。此(ci)外(wai)，外(wai)界(jie)条件（如激(ji)光冲击、疲劳断(duan)裂韧性(xing)、低温、晶粒尺寸和(he)含量、临界(jie)转变(bian)(bian)能量等(deng)）对氧化(hua)锆陶瓷相变(bian)(bian)增韧有很大的(de)(de)影(ying)(ying)响，如果(guo)相变(bian)(bian)产生大的(de)(de)应(ying)力(li)和(he)体(ti)(ti)积(ji)变(bian)(bian)化(hua)，则产品容(rong)易断(duan)裂，因(yin)此(ci)生产过程中，应(ying)避免(mian)外(wai)界(jie)因(yin)素对氧化(hua)锆陶瓷相变(bian)(bian)增韧的(de)(de)影(ying)(ying)响。
 

2、颗粒增韧

颗(ke)(ke)(ke)粒增(zeng)韧(ren)是(shi)指(zhi)用颗(ke)(ke)(ke)粒做(zuo)增(zeng)韧(ren)剂，添(tian)加入ZrO2陶瓷粉(fen)体(ti)(ti)中，尽管效果(guo)不及晶(jing)须与纤维，但(dan)若颗(ke)(ke)(ke)粒种类、粒径、含量和(he)(he)基体(ti)(ti)材(cai)料(liao)选(xuan)择得当，仍(reng)有(you)一定(ding)的强(qiang)韧(ren)效果(guo)。其优点是(shi)简便易行，增(zeng)韧(ren)的同时会带来高温(wen)强(qiang)度和(he)(he)高温(wen)蠕变性能的改(gai)善。颗(ke)(ke)(ke)粒增(zeng)韧(ren)的韧(ren)化(hua)机理(li)主要有(you)细化(hua)基体(ti)(ti)晶(jing)粒和(he)(he)裂(lie)纹转向分叉等。
 

3、纤维增韧

纤维、晶(jing)须增韧原理是在(zai)紧靠裂纹(wen)尖端(duan)的(de)(de)晶(jing)体(ti)，由于变形而(er)(er)给裂纹(wen)表(biao)面加上了闭合应力，抵消裂纹(wen)尖端(duan)的(de)(de)外(wai)(wai)应力，钝化裂纹(wen)扩展(zhan)，从而(er)(er)起(qi)到了增韧作(zuo)用(yong)；此(ci)外(wai)(wai)，裂纹(wen)扩展(zhan)时，柱状晶(jing)体(ti)的(de)(de)拔出时也要(yao)克(ke)服(fu)摩擦(ca)力，也会起(qi)到增韧的(de)(de)作(zuo)用(yong)。

4、自增韧

氧化锆陶(tao)瓷由于柱状晶的存在，在氧化锆陶(tao)瓷断裂(lie)(lie)过程中，会导(dao)致裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)发生偏转，改变(bian)和增(zeng)加了(le)裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)扩展的路径，从而钝(dun)化裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)增(zeng)加了(le)裂(lie)(lie)纹(wen)(wen)扩展阻力，达到增(zeng)韧的目的。
 

5、弥散韧化

弥(mi)散韧化(hua)(hua)主要(yao)是指四方相ZrO2颗粒对(dui)陶(tao)瓷基体的(de)韧化(hua)(hua)，除了相变(bian)韧化(hua)(hua)机(ji)制以外还(hai)有第二(er)相质点的(de)弥(mi)散韧化(hua)(hua)机(ji)制。在裂纹进行扩展(zhan)之前，首先得克服陶(tao)瓷本身(shen)的(de)内(nei)部残(can)余应(ying)变(bian)能，从而(er)达到增韧的(de)目的(de)。
 

6、微裂纹增韧

微裂(lie)纹(wen)增韧是(shi)指在裂(lie)纹(wen)应(ying)力(li)尖端加入韧性(xing)材(cai)料(liao)(liao)，使(shi)其产(chan)生微裂(lie)纹(wen)，达到(dao)分散(san)应(ying)力(li)的目的，减少裂(lie)纹(wen)前进的动力(li)，从而增加材(cai)料(liao)(liao)的韧性(xing)。在材(cai)料(liao)(liao)发生相转(zhuan)(zhuan)变时(shi)，往往也会导致(zhi)残余应(ying)变能效应(ying)以(yi)及(ji)产(chan)生微裂(lie)纹(wen)。因此(ci)，相转(zhuan)(zhuan)变增韧的效果是(shi)显著的。
 

7、复合增韧

复合增韧是指在ZrO2陶(tao)瓷实(shi)际增韧过(guo)程中同时采用几种增韧机理，从而提高ZrO2陶(tao)瓷增韧效果。在实(shi)际应用过(guo)程中，根据所(suo)要制备氧化锆陶(tao)瓷材料的不同性能，来选(xuan)择(ze)具体的增韧机理。
 

8、纳米增韧

目(mu)前，纳米增韧主要(yao)有三种学术观点，即：细化(hua)理(li)(li)论，穿晶理(li)(li)论、“钉扎”理(li)(li)论。

（1）细(xi)化理论认为纳米(mi)相的(de)引入能抑制基(ji)体(ti)晶粒的(de)异常长大，使(shi)基(ji)体(ti)结构均匀细(xi)化，从而(er)提高(gao)纳米(mi)氧化陶瓷(ci)复合材料的(de)强度韧(ren)性。

（2）“穿晶(jing)理(li)论”，认为(wei)纳(na)(na)米(mi)(mi)复合材料(liao)(liao)中(zhong)，基(ji)体(ti)颗粒以纳(na)(na)米(mi)(mi)颗粒为(wei)核发生致密化(hua)而(er)将(jiang)纳(na)(na)米(mi)(mi)颗粒包裹在基(ji)体(ti)晶(jing)粒内部形成(cheng)“晶(jing)内型”结构(gou)。这样便能减弱主(zhu)晶(jing)界(jie)的作用， 诱发穿晶(jing)断裂，使材料(liao)(liao)断裂时产生穿晶(jing)断裂而(er)不是沿晶(jing)断裂，从而(er)提高纳(na)(na)米(mi)(mi)氧化(hua)锆(gao)陶瓷复合材料(liao)(liao)强度(du)和(he)韧性。

（3）“钉(ding)扎”理(li)论， 认(ren)为存在于(yu)基(ji)体晶(jing)界(jie)的纳米颗(ke)粒产生“钉(ding)扎”效应，从(cong)而限制了晶(jing)界(jie)滑移和孔穴、蠕变(bian)的发(fa)生，晶(jing)界(jie)的增强导致纳米氧化(hua)锆复相陶瓷韧性的提高。