氧化鋯陶瓷是具有獨特的物理和化學性質，如高硬度，低的熱傳導性，熔點高，抗高溫和腐蝕，化學惰性和兩性性質，在電子陶瓷、功能陶瓷和結構陶瓷等方面的應用迅速發展。作為特種陶瓷材料在電子、航天、航空和核工業等高新技術領域具有廣闊的應用前景。然而氧化鋯陶瓷材料的致命缺點是脆性，低可靠性和低重復性，這些不足嚴重影響了其應用范圍。只有改善氧化鋯陶瓷的斷裂韌性，實現材料強韌化，提高其可靠性和使用壽命，才能使氧化鋯陶瓷真正地成為一種廣泛應用的新型材料，因此，氧化鋯陶瓷增韌技術一直是陶瓷研究的熱點。

 

一、陶瓷的增韌方法

 

目前，陶瓷的增韌方法主要有：相變增韌、顆粒增韌、纖維增韌、自增韌、彌散韌化、協同增韌、納米增韌等。

 

1、相變增韌

 

相變增韌是指亞穩定四方相t—ZrO2在裂紋尖端應力場的作用下發生一相變，形成單斜相，產生體積膨脹，從而對裂紋形成壓應力，阻礙裂紋擴展，起到增韌的作用。此外，外界條件（如激光沖擊、疲勞斷裂韌性、低溫、晶粒尺寸和含量、臨界轉變能量等）對氧化鋯陶瓷相變增韌有很大的影響，如果相變產生大的應力和體積變化，則產品容易斷裂，因此生產過程中，應避免外界因素對氧化鋯陶瓷相變增韌的影響。

 

2、顆粒增韌

 

顆粒增韌是指用顆粒做增韌劑，添加入ZrO2陶瓷粉體中，盡管效果不及晶須與纖維，但若顆粒種類、粒徑、含量和基體材料選擇得當，仍有一定的強韌效果。其優點是簡便易行，增韌的同時會帶來高溫強度和高溫蠕變性能的改善。顆粒增韌的韌化機理主要有細化基體晶粒和裂紋轉向分叉等。

 

3、纖維增韌

 

纖維、晶須增韌原理是在緊靠裂紋尖端的晶體，由于變形而給裂紋表面加上了閉合應力，抵消裂紋尖端的外應力，鈍化裂紋擴展，從而起到了增韌作用；此外，裂紋擴展時，柱狀晶體的拔出時也要克服摩擦力，也會起到增韌的作用。

 

氧化鋯陶瓷結構件

 

4、自增韌

 

氧化鋯陶瓷由于柱狀晶的存在，在氧化鋯陶瓷斷裂過程中，會導致裂紋發生偏轉，改變和增加了裂紋擴展的路徑，從而鈍化裂紋增加了裂紋擴展阻力，達到增韌的目的。

 

5、彌散韌化

 

彌散韌化主要是指四方相ZrO2顆粒對陶瓷基體的韌化，除了相變韌化機制以外還有第二相質點的彌散韌化機制。在裂紋進行擴展之前，首先得克服陶瓷本身的內部殘余應變能，從而達到增韌的目的。

 

6、微裂紋增韌

 

微裂紋增韌是指在裂紋應力尖端加入韌性材料，使其產生微裂紋，達到分散應力的目的，減少裂紋前進的動力，從而增加材料的韌性。在材料發生相轉變時，往往也會導致殘余應變能效應以及產生微裂紋。因此，相轉變增韌的效果是顯著的。

 

7、復合增韌

 

復合增韌是指在ZrO2陶瓷實際增韌過程中同時采用幾種增韌機理，從而提高ZrO2陶瓷增韌效果，如鋯鋁復合珠。在實際應用過程中，根據所要制備氧化鋯陶瓷材料的不同性能，來選擇具體的增韌機理,

 

8、納米增韌

 

目前，納米增韌主要有三種學術觀點，即：細化理論，穿晶理論、“釘扎”理論。

 

（1）細化理論認為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長大，使基體結構均勻細化，從而提高納米氧化陶瓷復合材料的強度韌性。

 

（2）“穿晶理論”，認為納米復合材料中，基體顆粒以納米顆粒為核發生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內部形成“晶內型”結構。這樣便能減弱主晶界的作用， 誘發穿晶斷裂，使材料斷裂時產生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂，從而提高納米氧化鋯陶瓷復合材料強度和韌性。

 

（3）“釘扎”理論， 認為存在于基體晶界的納米顆粒產生“釘扎”效應，從而限制了晶界滑移和孔穴、蠕變的發生，晶界的增強導致納米氧化鋯復相陶瓷韌性的提高。

 

二、氧化鋯增韌陶瓷的種類

 

氧化鋯增韌陶瓷主要有穩定氧化鋯陶瓷、部分穩定氧化鋯陶瓷、四方氧化鋯多晶體陶瓷、氧化鋯超塑性陶瓷。

 

1、穩定氧化鋯陶瓷

 

穩定氧化鋯陶瓷是在制備氧化鋯粉體時添加一定數量的穩定劑使之固溶入氧化鋯內，形成立方相氧化鋯，在整個溫度范圍內不發生相變，也就沒有體積變化的陶瓷材料。常用的穩定劑主要有CaO、MgO、Y2O3、CeO2等。

 

穩定氧化鋯陶瓷在泡沫陶瓷、生物陶瓷、特種耐火材料鑄口、冷成形工具、整形模、拉絲模、切削工具、新能源電池電解質隔膜等領域具有廣泛的應用。

 

2、部分穩定氧化鋯陶瓷

 

部分穩定氧化鋯（PSZ）具有強度高，脆性低，較高的斷裂韌性，被認為是發動機上最有前途的陶瓷材料。

 

采用傳統方法或氯化物溶解法制備的氧化鋯攙和5%氧化鈣進行穩定，組織中合有立方相氧化鋯基體晶粒、非常細小的晶內亞穩四方相粒子及單斜氧化鋯粒子，其中的單斜氧化鋯粒子具有兩種形貌，即：粗大的孿晶界粒子和細的但仍具有孿晶待征的晶內粒子。四方相在應力誘導下轉變為單斜相的相變使該材料呈現出優良的機械性能。

 

3、四方氧化鋯多晶體陶瓷

 

四方氧化鋯多晶體陶瓷的晶粒很小，為了使亞穩的四方相保留下來，必須采用超細、高純的氧化鋯粉體，且要準確控制氧化釔的含量，燒結工藝中要采用低的溫度（1400℃）。

 

四方氧化鋯陶瓷通過相變增韌具有很高的強度和斷裂韌性，但在中高溫下由于相變增韌作用的逐漸消失力學性能迅速下降。在基體中加入第二相粒子成為復合材料是提高韌性和高溫力學性能的有效方法。

 

4、氧化鋯超塑性陶瓷

 

氧化鋯超塑性陶瓷是通過控制配料和燒結，獲得均勻的微細晶粒僥結體，實現微細晶粒的超塑性。影響氧化鋯陶瓷超塑性的主要因素有下列幾個方面：

 

（1）晶粒大小。品粒越細，晶界面積越大，產生塑性變形就越大。

 

（2）溫度。在壓力恒定下，應變速率隨著溫度提高而增加。

 

（3）應變速率大小。尤其在位伸變形時，較低的應變速率可獲大于200%的拉伸變形，因為應變速率過大，在晶界處易形成空洞等，以致造成過早的斷裂。

 

（4）空洞大小。要保持較低的應變速率，以抑制空洞的生成。

 

目前，超塑性氧化鋯陶瓷主要用于發動機中活塞環，隨著研究的深入，其應用前景是廣闊的。氧化鋯材料高溫下具有導電性其晶體結構存在氧離子缺位的特性，可制成各種功能元件。