ZTA 复相陶瓷增韧的研究进展

隋育栋

（昆明理工大学 材料科学与工程学院，云南 昆明650093）

1 概述

氧化铝陶瓷（Al2O3）作为结构陶瓷的一种，具有硬度高、高温稳定性好和价格低廉等优点，在工业生产中被广泛使用，但是其较低的韧性限制了进一步的应用。在氧化铝陶瓷的基础上，人们通过引入氧化锆（ZrO2）粒子的形式制备出氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷（ZTA）。在不同的温度下，氧化锆具有三种可逆转化晶型，分别是单斜相（m-ZrO2）、四方相（t-ZrO2）和立方相（c-ZrO2）。这些晶型在一定温度下的相转变会相应的产生体积膨胀和微裂纹，从而使氧化铝陶瓷增韧，其增韧机制包括应力诱导相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、裂纹偏转及弯曲增韧等。ZTA 复相陶瓷韧性的提高虽然在一定程度上满足了工业的要求，但韧性的进一步提高无疑更能适应需求，因此，国内外的众多科研工作者们开展了一系列研究，取得了很多极具价值的科研成果。

2 ZTA 复相陶瓷的增韧机制

2.1 颗粒增韧

颗粒与基体普遍存在物化性质不匹配的特征，因此将异质颗粒加入ZTA 中会与其产生的交互作用，产生增韧的效果。如果异质颗粒呈现脆性，那么陶瓷的增韧机制可能是裂纹偏转、裂纹弯曲、微裂纹增韧、裂纹钉扎和桥联等，这主要归因于脆性颗粒在外力作用下和周围基体产生应力场，影响了裂纹扩展路径，增大了裂纹扩展所需要的能量，从而使ZTA 复相陶瓷的韧性增加；如果异质颗粒呈现韧性，那么陶瓷的增韧机制可能是增强颗粒拔出和颗粒桥联裂纹，这主要归因于韧性颗粒在外力作用下首先自身出现塑性变形以抵消裂纹的弹性能，当塑性变形超过一定程度后，颗粒会被拔出而消耗能量，从而使ZTA 复相陶瓷的韧性增加。

2.2 纤维/晶须增韧

如果将上述的颗粒改为纤维或者晶须，那么其增韧机制会发生相应的改变。首先，纤维/晶须在拔出基体时，一方面会由于新表面的形成而消耗弹性能，另一方面会与基体产生摩擦消耗能量；其次，纤维/晶须自身的破坏会释放其中的弹性能。这些都会增加陶瓷的韧性。

2.3 纳米增韧

纳米颗粒具有小尺寸效应、量子尺寸效应和隧道效应，这些纳米粒子掺杂到陶瓷中，可以显著细化晶粒尺寸，并增加晶界的面积，从而使材料的韧性和强度得到大幅度的提高。纳米颗粒增韧陶瓷的机制主要包括：阻碍位错运动；钉扎晶界；使陶瓷材料中的裂纹出现偏转和桥联，这些都会增加陶瓷材料的韧性。

3 ZTA 复相陶瓷增韧的方法及研究进展

3.1 控制ZTA 复相陶瓷原材料的形貌和粒径

由于制备ZTA 的粉体原料的性能差异，导致制得的陶瓷性能也有较大的差异。制备具有良好组织和性能陶瓷的前提是控制好原料粉体的形貌和粒径。而改变前驱体成分、选择制备过程中的环境条件，可以获得不同形貌的和粒径的前驱粉体。

3.2 改变ZTA 陶瓷的组成体系

目 前，ZTA 陶 瓷 常 见 的 体 系 有ZTA/Si3N4、Al2O3/ZrO2/SiC、Al2O3/ZrO2/TiC 等等；还可以通过掺杂其他氧化物、添加剂或烧结助剂的方式引入TiO2、MgO、稀土氧化物(如La2O3、Ce2O3等)、金属Al 或晶种来改善材料的组织和性能。

Echeberria 等人[1]通过热等静压（1475℃，1h）与常压烧结（1520℃，1h）两种烧结工艺制备了多壁碳纳米管(MWCNTs)增强ZTA 陶瓷基复合材料，并对所得样品性能进行了测试，结果表明热等静压烧结的样品具有较高的致密度（97.6%）、维氏硬度（17.5GPa）及断裂韧性（4.4MPa·m1/2）。葛曷一等[2]对微晶粒Al2O3-ZrO2陶瓷组织和性能进行了研究，发现以TiO2-MgO 为烧结助剂，烧结温度为1600℃，纳米t-ZrO2颗粒质量分数为5%时，陶瓷的综合性能最优，其致密度为98.7%，抗折强度为274.82MPa，断裂韧性高达7.32MPa·m1/2。

随着ZTA 陶瓷增韧技术的发展，作为“工业维生素”的稀土元素也加入到其中，并且逐步发挥重要的作用。例如，Y2O3加入到ZTA 陶瓷中可显著改善其组织结构，促进烧结并加快致密化程度。稀土主要以氧化物的形式作为陶瓷生产中的烧结助剂、活化剂等，由于稀土元素的电子层结构比较特殊，同时具有原子半径大、化学活性高、熔点高等特点，因此是较好的表面活性元素，可以改善陶瓷的润湿性，降低材料的熔点[3]。

3.3 改善ZTA 复相陶瓷的制备工艺

ZTA 复相陶瓷的制备工艺由最初的传统烧结，逐渐发展到热压烧结、冷/热等静压烧结、微波烧结、反应烧结、放电等离子烧结和超重力燃烧烧结等多种烧结形式。Kim 等人采用高频感应加热烧结技术制备出了Al2O3-20vol% 3YSZ 陶瓷和Al2O3-20 vol% 8YSZ 陶瓷，各自在1450℃和1400℃的烧结温度下达到最佳性能[4]。Jens 等[5]利用氮气等离子喷涂获得了ZrO2-3 mol%Y2O3-20 wt.%Al2O3复合陶瓷粉体，并用等离子烧结技术在1400℃进行烧结，获得了致密度高达99.9%的陶瓷。谢志鹏等[6]对Ce-Y-ZTA 陶瓷的微波烧结过程及材料的性能进行了研究，通过微波烧结2h，在低于传统烧结50-100℃的条件下，获得了致密度为99%，弯曲强度为670MPa 的试样。

4 结论

研究者们通过不同的途径对ZTA 复相陶瓷进行了大量的研究，使其性能得到了极大改善，但仍存在不足，如成本高、制备工艺复杂、单一相增韧补强的效果不明显、添加相与基体物理适配度高等问题。因此，利用多元协同及多种增韧机制的耦合作用强化ZTA 复相陶瓷将成为ZTA 增韧的重要发展方向。