氧化锆增韧陶瓷

氧化锆增韧陶瓷

氧化锆陶瓷的传统应用主要是作为耐火材料、涂层和釉料等的原料，但是随着对氧化锆陶瓷热力学和电学性能的深入了解，使它有可能作为高性能结构陶瓷和固体电介质材料而获得广泛应用。特别是随着对氧化锆相变过程深入了解，在20世纪70年代出现了氧化锆陶瓷增韧材料，使氧化锆陶瓷材料的力学性能获得了大幅度提高， 尤其是室温韧性高居陶瓷材料榜首。

在制备端，增韧是最核心的目标，最常见的方式就是添加稳定剂。二氧化锆都是由锆砂和斜锆石矿制得。锆砂以硅酸锆(ZrO2·SiO2)为主要成分，斜锆石矿的主要成分为 ZrO2，含有少量 SiO2、TiO2等杂质。氧化锆的制备以往全都以上述两种天然矿物为原料，而工程陶瓷用的易烧结性二氧化锆微粉是以这两种天然矿物制备的锆盐为原料而制造的。纯氧化锆单斜相在1170℃以下是稳定的，超过此温度转变为四方相，温度到达2370℃则转变为立方相，直到2680-2700℃发生熔化，整个相变过程可逆。当从高温冷却到四方相转变温度时，由于存在相变滞后现象，故大约要在 1050℃左右，即偏低100℃才由t相转变成m相，称之为马氏体相变，与此同时相变会产生5％-9％的体积膨胀，这一体积变化足以超过ZrO2晶粒的弹性限度，从而导致材料开裂。为了避免这一相变，可以来用二价氧化物(CaO，MgO，SrO)和稀土氧化物(Y2O3，CeO2)等的作为稳定剂与ZrO2形成固溶体，生成稳定的立方相结构。不过，这些稳定剂氧化物金属离子的半径与Zr4+离子半径相差小于 40％时，才能起到稳定作用。

氧化锆增韧陶瓷在结构陶瓷研究中取得了重大的进展，经过增韧的陶瓷品种也很多，目前已经知道的可使氧化锆稳定的添加物有：氧化镁、氧化钙、氧化镧、氧化钇、氧化铈等单一的氧化物或它们的复合氧化物。被增韧的材料，除了稳定的氧化锆以外，还有氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷。在氧化铝中添加16vol％的氧化锆增韧处理，得到材料的强度为1200MPa，断裂韧性为15.0MPa.m。氧化锆增韧陶瓷材料在室温下具有最高的强度和断裂韧性，今后将着重提高其高温的性能。

氧化锆(特别是增韧的)陶瓷应用于机械工程(做陶瓷刀具、量具、轴承、模具、密封件等)、冶金工业(坩埚、耐火材料、连铸注口、抗压支撑、导辊等)、军事工业(火箭隔热层、防弹装甲板)以 及化学工业、纺织工业、生物工程和日常生活等各方面。