氧化鋯增韌陶瓷

氧化鋯陶瓷的傳統(tǒng)應(yīng)用主要是作為耐火材料、涂層和釉料等的原料，但是隨著對(duì)氧化鋯陶瓷熱力學(xué)和電學(xué)性能的深入了解，使它有可能作為高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和固體電介質(zhì)材料而獲得廣泛應(yīng)用。特別是隨著對(duì)氧化鋯相變過程深入了解，在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了氧化鋯陶瓷增韌材料，使氧化鋯陶瓷材料的力學(xué)性能獲得了大幅度提高， 尤其是室溫韌性高居陶瓷材料榜首。

在制備端，增韌是最核心的目標(biāo)，最常見的方式就是添加穩(wěn)定劑。二氧化鋯都是由鋯砂和斜鋯石礦制得。鋯砂以硅酸鋯(ZrO2·SiO2)為主要成分，斜鋯石礦的主要成分為 ZrO2，含有少量 SiO2、TiO2等雜質(zhì)。氧化鋯的制備以往全都以上述兩種天然礦物為原料，而工程陶瓷用的易燒結(jié)性二氧化鋯微粉是以這兩種天然礦物制備的鋯鹽為原料而制造的。純氧化鋯單斜相在1170℃以下是穩(wěn)定的，超過此溫度轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵瑴囟鹊竭_(dá)2370℃則轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较啵钡?680-2700℃發(fā)生熔化，整個(gè)相變過程可逆。當(dāng)從高溫冷卻到四方相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，由于存在相變滯后現(xiàn)象，故大約要在 1050℃左右，即偏低100℃才由t相轉(zhuǎn)變成m相，稱之為馬氏體相變，與此同時(shí)相變會(huì)產(chǎn)生5％-9％的體積膨脹，這一體積變化足以超過ZrO2晶粒的彈性限度，從而導(dǎo)致材料開裂。為了避免這一相變，可以來用二價(jià)氧化物(CaO，MgO，SrO)和稀土氧化物(Y2O3，CeO2)等的作為穩(wěn)定劑與ZrO2形成固溶體，生成穩(wěn)定的立方相結(jié)構(gòu)。不過，這些穩(wěn)定劑氧化物金屬離子的半徑與Zr4+離子半徑相差小于 40％時(shí)，才能起到穩(wěn)定作用。

氧化鋯增韌陶瓷在結(jié)構(gòu)陶瓷研究中取得了重大的進(jìn)展，經(jīng)過增韌的陶瓷品種也很多，目前已經(jīng)知道的可使氧化鋯穩(wěn)定的添加物有：氧化鎂、氧化鈣、氧化鑭、氧化釔、氧化鈰等單一的氧化物或它們的復(fù)合氧化物。被增韌的材料，除了穩(wěn)定的氧化鋯以外，還有氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物陶瓷。在氧化鋁中添加16vol％的氧化鋯增韌處理，得到材料的強(qiáng)度為1200MPa，斷裂韌性為15.0MPa.m。氧化鋯增韌陶瓷材料在室溫下具有最高的強(qiáng)度和斷裂韌性，今后將著重提高其高溫的性能。

氧化鋯(特別是增韌的)陶瓷應(yīng)用于機(jī)械工程(做陶瓷刀具、量具、軸承、模具、密封件等)、冶金工業(yè)(坩堝、耐火材料、連鑄注口、抗壓支撐、導(dǎo)輥等)、軍事工業(yè)(火箭隔熱層、防彈裝甲板)以 及化學(xué)工業(yè)、紡織工業(yè)、生物工程和日常生活等各方面。

來源: 顧召飛 李慎芳