ZTA 復相陶瓷增韌的研究進展

隋育棟

（昆明理工大學 材料科學與工程學院，云南 昆明650093）

1 概述

氧化鋁陶瓷（Al2O3）作為結構陶瓷的一種，具有硬度高、高溫穩定性好和價格低廉等優點，在工業生產中被廣泛使用，但是其較低的韌性限制了進一步的應用。在氧化鋁陶瓷的基礎上，人們通過引入氧化鋯（ZrO2）粒子的形式制備出氧化鋯增韌氧化鋁復相陶瓷（ZTA）。在不同的溫度下，氧化鋯具有三種可逆轉化晶型，分別是單斜相（m-ZrO2）、四方相（t-ZrO2）和立方相（c-ZrO2）。這些晶型在一定溫度下的相轉變會相應的產生體積膨脹和微裂紋，從而使氧化鋁陶瓷增韌，其增韌機制包括應力誘導相變增韌、相變誘發微裂紋增韌、裂紋偏轉及彎曲增韌等。ZTA 復相陶瓷韌性的提高雖然在一定程度上滿足了工業的要求，但韌性的進一步提高無疑更能適應需求，因此，國內外的眾多科研工作者們開展了一系列研究，取得了很多極具價值的科研成果。

2 ZTA 復相陶瓷的增韌機制

2.1 顆粒增韌

顆粒與基體普遍存在物化性質不匹配的特征，因此將異質顆粒加入ZTA 中會與其產生的交互作用，產生增韌的效果。如果異質顆粒呈現脆性，那么陶瓷的增韌機制可能是裂紋偏轉、裂紋彎曲、微裂紋增韌、裂紋釘扎和橋聯等，這主要歸因于脆性顆粒在外力作用下和周圍基體產生應力場，影響了裂紋擴展路徑，增大了裂紋擴展所需要的能量，從而使ZTA 復相陶瓷的韌性增加；如果異質顆粒呈現韌性，那么陶瓷的增韌機制可能是增強顆粒拔出和顆粒橋聯裂紋，這主要歸因于韌性顆粒在外力作用下首先自身出現塑性變形以抵消裂紋的彈性能，當塑性變形超過一定程度后，顆粒會被拔出而消耗能量，從而使ZTA 復相陶瓷的韌性增加。

2.2 纖維/晶須增韌

如果將上述的顆粒改為纖維或者晶須，那么其增韌機制會發生相應的改變。首先，纖維/晶須在拔出基體時，一方面會由于新表面的形成而消耗彈性能，另一方面會與基體產生摩擦消耗能量；其次，纖維/晶須自身的破壞會釋放其中的彈性能。這些都會增加陶瓷的韌性。

2.3 納米增韌

納米顆粒具有小尺寸效應、量子尺寸效應和隧道效應，這些納米粒子摻雜到陶瓷中，可以顯著細化晶粒尺寸，并增加晶界的面積，從而使材料的韌性和強度得到大幅度的提高。納米顆粒增韌陶瓷的機制主要包括：阻礙位錯運動；釘扎晶界；使陶瓷材料中的裂紋出現偏轉和橋聯，這些都會增加陶瓷材料的韌性。

3 ZTA 復相陶瓷增韌的方法及研究進展

3.1 控制ZTA 復相陶瓷原材料的形貌和粒徑

由于制備ZTA 的粉體原料的性能差異，導致制得的陶瓷性能也有較大的差異。制備具有良好組織和性能陶瓷的前提是控制好原料粉體的形貌和粒徑。而改變前驅體成分、選擇制備過程中的環境條件，可以獲得不同形貌的和粒徑的前驅粉體。

3.2 改變ZTA 陶瓷的組成體系

目 前，ZTA 陶 瓷 常 見 的 體 系 有ZTA/Si3N4、Al2O3/ZrO2/SiC、Al2O3/ZrO2/TiC 等等；還可以通過摻雜其他氧化物、添加劑或燒結助劑的方式引入TiO2、MgO、稀土氧化物(如La2O3、Ce2O3等)、金屬Al 或晶種來改善材料的組織和性能。

Echeberria 等人[1]通過熱等靜壓（1475℃，1h）與常壓燒結（1520℃，1h）兩種燒結工藝制備了多壁碳納米管(MWCNTs)增強ZTA 陶瓷基復合材料，并對所得樣品性能進行了測試，結果表明熱等靜壓燒結的樣品具有較高的致密度（97.6%）、維氏硬度（17.5GPa）及斷裂韌性（4.4MPa·m1/2）。葛曷一等[2]對微晶粒Al2O3-ZrO2陶瓷組織和性能進行了研究，發現以TiO2-MgO 為燒結助劑，燒結溫度為1600℃，納米t-ZrO2顆粒質量分數為5%時，陶瓷的綜合性能最優，其致密度為98.7%，抗折強度為274.82MPa，斷裂韌性高達7.32MPa·m1/2。

隨著ZTA 陶瓷增韌技術的發展，作為“工業維生素”的稀土元素也加入到其中，并且逐步發揮重要的作用。例如，Y2O3加入到ZTA 陶瓷中可顯著改善其組織結構，促進燒結并加快致密化程度。稀土主要以氧化物的形式作為陶瓷生產中的燒結助劑、活化劑等，由于稀土元素的電子層結構比較特殊，同時具有原子半徑大、化學活性高、熔點高等特點，因此是較好的表面活性元素，可以改善陶瓷的潤濕性，降低材料的熔點[3]。

3.3 改善ZTA 復相陶瓷的制備工藝

ZTA 復相陶瓷的制備工藝由最初的傳統燒結，逐漸發展到熱壓燒結、冷/熱等靜壓燒結、微波燒結、反應燒結、放電等離子燒結和超重力燃燒燒結等多種燒結形式。Kim 等人采用高頻感應加熱燒結技術制備出了Al2O3-20vol% 3YSZ 陶瓷和Al2O3-20 vol% 8YSZ 陶瓷，各自在1450℃和1400℃的燒結溫度下達到最佳性能[4]。Jens 等[5]利用氮氣等離子噴涂獲得了ZrO2-3 mol%Y2O3-20 wt.%Al2O3復合陶瓷粉體，并用等離子燒結技術在1400℃進行燒結，獲得了致密度高達99.9%的陶瓷。謝志鵬等[6]對Ce-Y-ZTA 陶瓷的微波燒結過程及材料的性能進行了研究，通過微波燒結2h，在低于傳統燒結50-100℃的條件下，獲得了致密度為99%，彎曲強度為670MPa 的試樣。

4 結論

研究者們通過不同的途徑對ZTA 復相陶瓷進行了大量的研究，使其性能得到了極大改善，但仍存在不足，如成本高、制備工藝復雜、單一相增韌補強的效果不明顯、添加相與基體物理適配度高等問題。因此，利用多元協同及多種增韌機制的耦合作用強化ZTA 復相陶瓷將成為ZTA 增韌的重要發展方向。