问：什么是氧化锆增韧氧化铝陶瓷？其增韧机理是什么？制备工艺有哪些？

答:1 氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料简介

氧化铝陶瓷具有优良的电性能、机械性能、化学稳定性，是目前应用非常广泛的陶瓷材料之一。但其断裂韧性较低，一般为2.5～4.5 MPa·m，严重地限制了它在更广泛领域中的应用，从而增强氧化铝陶瓷断裂韧性成了当前研究的热点之一。

氧化锆增韧氧化铝(ZirconiaToughened Aluminum，ZTA)陶瓷材料，它是在氧化铝母相基质中引入一定量的相变材料氧化锆所形成的一种复相精细陶瓷材料。由于氧化铝的硬度大、氧化锆的韧性好，这两种材料形成了高强度、高韧性的优异复合体，在常温下具有更高的抗折强度和断裂韧性，因而具有出色的耐磨性能。因此这种复相陶瓷材料既具有氧化锆陶瓷高韧和高强度的特性，又具有氧化铝陶瓷高硬度的优点，而且随着这种综合力学性能的提高，其耐磨性也得到了较大的提高。

2 氧化锆增韧氧化铝陶瓷的增韧机理

目前，提高氧化铝陶瓷断裂韧性有许多途径，主要有：应力诱导相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面诱发强韧化和微裂纹分叉增韧等。在实际材料中，究竟何种机制起主导作用，在很大程度上取决于四方相氧化锆(t-ZrO2)向单斜相氧化锆(m-ZrO2)马氏体相变程度的高低及相变在材料中发生的部位。

2.1 应力诱导相变增韧

当部分稳定的t-ZrO2弥散在Al2O3陶瓷基体里，即存在t-ZrO2与m-ZrO2的可逆相变特性，晶体结构的转变伴随有3%～5%的体积膨胀。由于二者具有不同的热膨胀系数，烧结完成后，在冷却过程中，ZrO2颗粒周围则有不同的受力情况。当基体对ZrO2颗粒有足够的压应力而ZrO2的颗粒度又足够小时，则其相变温度可降至室温以下，这样在室温时ZrO2仍可保持四方相。当材料受到外应力时，基体对ZrO2的压制作用得到松弛，ZrO2颗粒即发生t-m相变，形成一相变过程区。在这个过程区内，一方面由于裂纹扩展而产生新的断裂表面，需要吸收一部分能量；另一方面相变引起的体积膨胀效应也要消耗能量；同时相变的晶粒由于体积膨胀而对裂纹产生压应力，阻碍裂纹扩展。由此可见，应力诱导的这种组织转变消耗了外加应力，降低了裂纹尖端的应力强度因子，使得本可以继续扩展的裂纹因能量消耗造成驱动力减弱而终止扩展，从而提高了材料断裂韧性。

2.2 微裂纹增韧

当t-ZrO2弥散在Al2O3陶瓷基体里时，粒径d>dm(m相晶粒的临界粒径)的晶粒在冷却过程中会发生t-m相变，由于体积效应较明显而诱发微裂纹。不论是ZrO2陶瓷在冷却过程中产生的相变诱发微裂纹，还是裂纹在扩展过程中在其尖端区域形成的应力诱发相变导致的微裂，都将起着分散主裂纹尖端能量的作用，从而降低裂纹扩展驱动力，提高材料的韧性。

3 氧化锆增韧氧化铝陶瓷的制备工艺

氧化锆增韧氧化铝陶瓷的制备工艺主要包括ZrO2/Al2O3复合粉体的制备、坯体成形及烧结等工序。要制备性能优异的氧化锆增韧氧化铝陶瓷，获得优质的ZrO2/Al2O3复合粉体是重要前提。

氧化锆增韧氧化铝陶瓷复合粉体的制备工艺有混合法、溶胶-凝胶法、共沉淀法和沉淀包裹法等不同方法。其中的关键是，既要保证ZrO2的颗粒细度小且颗粒度分布范围窄；又要保证ZrO2的均匀分散，使Al2O3颗粒能够包裹ZrO2，以产生良好的增韧效果。

3.1 ZrO2/Al2O3复合粉体的制备

1)混合法。主要有机械混合法、多相悬浮液混合法、溶胶-悬浮液混合法等。

机械混合法是将组成复合粉体的粉末进行混合、球磨，然后再进行烧结。该方法直接、简便，但不能保证多相组分的均匀分散。

多相悬浮分散混合工艺是通过添加分散剂、调整pH值，先分别制备各组元充分分散的单相稳定悬浮液，然后找出各相颗粒均能良好分散的混合悬浮条件，将各单相悬浮液混合，再通过找出共同的絮凝条件可以制备均匀混合的粉体。研究多相固体共同悬浮、共同絮凝的条件，其工作难度较大。

纳米溶胶的悬浮不受液体pH值的影响，极大地方便了与其它悬浮液的均匀混合，当2种液体的固相含量均较高时，可搅拌加热或气流干燥，以获得混合较好的纳米复相陶瓷。

2)溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶法是指有机或者无机的锆(铝)盐在溶液中均匀混合，然后经水解、聚合反应生成透明的溶胶体系，所得溶胶经过老化、聚合形成凝胶，最后凝胶经过干燥、煅烧等步骤得到ZrO2/Al2O3纳米复合粉体，这种方式可以使ZrO2在Al2O3中得到良好的分散。

3)共沉淀法。它是利用碱性溶液做沉淀剂，将一定质量的锆盐和铝盐溶解在水或乙醇中作为反应液，将2种溶液混合制备出ZrO2/Al2O3的前驱体沉淀，然后经过过滤、洗涤、干燥及锻烧等步骤制备出ZrO2/Al2O3粉体。共沉淀法在沉淀剂溶液与盐溶液混合的时候存在2种不同的滴定方法，分别是将铝盐和锆盐的混合溶液滴定到沉淀剂中(共沉淀法)和将沉淀剂滴定到铝盐和锆盐的混合溶液中去(反共沉淀法)，统称为共沉淀法。但是因为共沉淀法容易造成铝离子和锆离子的分别沉淀，从而使两种前驱体沉淀分散得不均匀，因此目前提到的共沉淀法多反共沉淀法为主。沉淀法的优点是易于精确控制Al2O3与ZrO2的含量及ZrO2/Al2O3纳米复合粉体的组成，而且材料来源广泛、成本低、工艺简单等特点。缺点是沉淀在形成的过程中有多个步骤形成团聚，例如滴定速率过慢，沉淀形成后容易形成团聚，抽滤、洗剂过程当中容易造成团聚，干燥、锻烧过程中也容易发生团聚。这就为最终ZrO2/Al2O3粉体的性能造成了多个变量和危害。

3.2 氧化锆增韧氧化铝陶瓷粉体成形

粉体的成形是指在烧结前，先将粉体转变成具有一定形状、大小和强度的坯体。成形会影响氧化锆、增韧氧化铝陶瓷素坯的密度及其内部的显微组织的均匀程度，对于陶瓷在烧结过程的致密化及烧结后陶瓷包括硬度等在内的各项性能具有非常大的影响。

粉体的成形可分为干法成形和湿法成形。干法成形又包括传统干压成形、等静压成形等。传统干压成形可使粉体成为一个较低密度素坯，也可压碎粉体间的软团聚，而等静压成形(常用的是冷等静压)，它是以液体作为压力传递介质，素坯可以更加均匀的受压，冷等静压成形主要是为了使素坯获得更大的致密度从而将坯体在高压下再次成形以得到密度高、气孔小、均匀性好的坯体。一般说来，干法成形广泛应用于简单的陶瓷部件，由于其操作简单，因此能够适用于大规模的工业化生产。但是干压成形制备陶瓷，很难完全消除粉料的团聚行为，这在一定程度上必然会影响最终陶瓷制品的性能，有研究者认为如何防止团聚及解决团聚问题是制备性能优异的陶瓷所必须面对的难题。湿法成形需要先将ZrO2/Al2O3纳米复合粉体分在液体中制备成悬浊液，湿法成形是将粉体的团聚问题转化成了粉料的分散性问题，有效的控制了素坯中团聚体的生成。但是湿法成形也存在一些问题，如其工序上要比干法成形复杂，而且主体干燥和烧结前的排胶工序是湿法成形必须解决的问题。湿法成形虽然在一定程度上解决了粉体成形中团聚的问题，但是却造成了排胶及难以大规模工业化生产的问题。

3.3 氧化锆增韧氧化铝陶瓷的烧结工艺

氧化锆增韧氧化铝陶瓷烧结可分为有无压烧结、热压烧结和热等静压烧结等。对于高纯ZrO2/Al2O3烧结一般为固相烧结，烧结温度较高，且由于ZrO2与Al2O3的烧结收缩率不同以及粉体中可能存在团聚体，因此氧化锆增韧氧化铝陶瓷纯固相烧结时可能形成非均匀的差分烧结。氧化锆增韧氧化铝陶瓷在烧结过程中，ZrO2的粒子将抑制基体Al2O3晶粒长大和烧结致密化过程。从传质观点上来看，在晶粒长大过程中，ZrO2粒子有足够的自扩散能量，可以与晶界交叉点一起移动，这样粒子对交叉点施加一个拖拽力，阻碍Al2O3基体的晶粒长大。当ZrO2粒子分布不能有效均匀地阻碍每一个Al2O3晶粒长大时，将发生晶粒的异常长大。

热压烧结可使氧化锆增韧氧化铝陶瓷高度致密化。与无压烧结相比，热压烧结的优点之一是可以避免差分烧结，这有利于显微结构的控制与力学性能的提高。但另一方面，热压烧结中的外加压力可以导致基体中产生残余应力，从而影响ZrO2晶粒的四方到单斜的相变，降低了氧化锆增韧氧化铝陶瓷性能的各向同性。