中國(guó)粉體網(wǎng)訊 氧化鋁陶瓷因具有高熔點(diǎn)、高硬度，優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和低廉的價(jià)格而受到人們的廣泛關(guān)注，但因其韌性較低，在工業(yè)、醫(yī)療以及生活等領(lǐng)域應(yīng)用總是容易造成陶瓷材料無(wú)先兆的破壞，這極大的限制了氧化鋁陶瓷的應(yīng)用。
將氧化鋯引入到氧化鋁陶瓷中，可制得氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)陶瓷。氧化鋯在氧化鋁陶瓷中能起到相變?cè)鲰g和微裂紋增韌的作用，對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行增韌補(bǔ)強(qiáng)，從而改善氧化鋁陶瓷的韌性，因此ZTA陶瓷是非常具有前途的陶瓷材料。
ZTA陶瓷的增韌機(jī)制
相變?cè)鲰g
相變?cè)鲰g是亞穩(wěn)態(tài)的四方相氧化鋯向穩(wěn)態(tài)單斜相氧化鋯轉(zhuǎn)變過(guò)程中引起的增韌效應(yīng)，相變由裂紋尖端拉應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生，相變過(guò)程伴隨著4%的體積膨脹和6%的剪切應(yīng)變，產(chǎn)生壓應(yīng)力最終阻止裂紋的擴(kuò)展，需要增加外力才能使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而增加了ZTA陶瓷的韌性。
微裂紋增韌
在ZTA中微裂紋主要通過(guò)兩種方式起增韌作用，一種是由于在燒結(jié)過(guò)程中氧化鋯的晶粒粒徑大于臨界尺寸，因此在陶瓷降溫過(guò)程中，相變作用產(chǎn)生了體積的膨脹進(jìn)而使陶瓷破碎產(chǎn)生了大量的微裂紋。另一種是由于氧化鋯粒子與氧化鋁相出現(xiàn)熱膨脹失配現(xiàn)象，從而造成了微裂紋。當(dāng)應(yīng)力作用在微裂紋區(qū)域時(shí)，微裂紋能夠吸收部分能量，減少主裂紋端部的應(yīng)力集中，從而減緩或者控制裂紋的繼續(xù)擴(kuò)散，以達(dá)到增加材料韌性的目的。
內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)強(qiáng)化增韌
納米化效應(yīng)的生成是由于內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生，其最終結(jié)果會(huì)使陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)晶型增韌。但是很難在制備ZTA納米復(fù)合陶瓷的過(guò)程中控制氧化鋁和氧化鋯的晶粒的粒徑都在100nm以下，所以，一般只能控制氧化鋯的顆粒處在納米級(jí)。因此，ZTA納米復(fù)相陶瓷就是指在陶瓷燒結(jié)過(guò)程中將氧化鋯納米顆粒引入氧化鋁基體中，其最終的燒結(jié)結(jié)果是不僅氧化鋯晶粒存在于氧化鋁顆粒之間，而且還有相當(dāng)一部分的氧化鋯顆粒被氧化鋁包圍在晶粒內(nèi)，從而在受到外力作用時(shí)引發(fā)內(nèi)晶型增韌。
ZTA陶瓷粉體的制備
ZTA粉體的制備工藝有很多，從物料的狀態(tài)大致可以分為固相法、氣相法和液相法。由于液相法具有原料來(lái)源廣、操作條件簡(jiǎn)易、粉體尺寸和性能穩(wěn)定以及生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn)，所以成為較為理想的ZTA陶瓷粉體的制備方法。液相法又可進(jìn)一步分為溶膠-凝膠法、沉淀法、水熱合成法、微乳液法等。
溶膠-凝膠法可以在低溫等溫和條件下進(jìn)行反應(yīng)，并且具有產(chǎn)物顆粒小，ZTA粉體分布均勻、組成易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但是其反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、原料成本高、生產(chǎn)能力小等，因此不適合大規(guī)模的工業(yè)化量產(chǎn)；沉淀法的優(yōu)點(diǎn)是易于精確氧化鋁與氧化鋯的含量以及ZTA粉體的組成，而且材料來(lái)源廣、成本低、工藝簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是在沉淀的形成過(guò)程中有多個(gè)步驟容易形成團(tuán)聚；水熱合成法制備的粉體純度非常高、顆粒粒徑小，而且粉體氧化物的結(jié)晶度高，但是其反應(yīng)條件苛刻，對(duì)設(shè)備性能要求高，投資成本大，所以在工業(yè)應(yīng)用上得不到大范圍普及；微乳液法制備出的納米顆粒粒度分布比較均勻且易于控制，但是在制備粉體的過(guò)程中需要大量的有機(jī)溶劑，沉淀物不易分離、洗滌，反應(yīng)條件非�？量�，不能夠在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。
ZTA陶瓷的成型
成型會(huì)影響ZTA陶瓷素坯的密度及其內(nèi)部的顯微組織的均勻程度，對(duì)于陶瓷在燒結(jié)過(guò)程的致密化及燒結(jié)后陶瓷包括硬度等在內(nèi)的各項(xiàng)性能具有非常大的影響。粉體的成型可分為干法成型和濕法成型。干法成型又包括傳統(tǒng)干壓成型、等靜壓成型等。
傳統(tǒng)干壓成型可使粉體成為一個(gè)較低密度素坯，也可壓碎粉體間的軟團(tuán)聚，而等靜壓成型（常用的是冷等靜壓），它是以液體作為壓力傳遞介質(zhì)，素坯可以更加均勻的受壓，冷等靜壓成型主要是為了使素坯獲得更大的致密度從而將坯體在高壓下再次成型以得到密度高、氣孔小、均勻性好的坯體。一般說(shuō)來(lái)，干法成型廣泛應(yīng)用于簡(jiǎn)單的陶瓷部件，由于其操作簡(jiǎn)單，因此能夠適用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。但是干壓成型制備陶瓷，很難完全消除粉料的團(tuán)聚行為，這在一定程度上必然會(huì)影響最終陶瓷制品的性能。
濕法成型也存在一些問(wèn)題，如其工序上要比干法成型復(fù)雜，而且主體干燥和燒結(jié)前的排膠工序是濕法成型必須解決的問(wèn)題。濕法成型雖然在一定程度上解決了粉體成型中團(tuán)聚的問(wèn)題，但是卻造成了排膠及難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的問(wèn)題。
ZTA陶瓷的燒結(jié)
ZTA陶瓷的燒結(jié)方法種類(lèi)繁多，有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、等離子體燒結(jié)等。另外各種燒結(jié)方式相互融合，也會(huì)催生更多的燒結(jié)方式，例如連續(xù)燒結(jié)、兩步燒結(jié)等。
常壓燒結(jié)是ZTA陶瓷最普遍也是最原始的燒結(jié)方式，常壓燒結(jié)過(guò)程中ZTA陶瓷中發(fā)生的一系列物理化學(xué)變化以及成品的性能是研究其燒結(jié)特性的最初依據(jù)，ZTA陶瓷坯體在高溫作用下顆粒長(zhǎng)大，氣孔率減小，力學(xué)性能增加達(dá)到致密化；熱壓燒結(jié)的優(yōu)勢(shì)之一是打破常壓燒結(jié)的臨界規(guī)則，另一方面高壓可以促使產(chǎn)生殘余應(yīng)力，影響四方到單斜的轉(zhuǎn)變，也可以產(chǎn)生各向同性的性能；熱等靜壓燒結(jié)使得ZTA陶瓷顯微結(jié)構(gòu)更加均勻，顆粒尺寸較小，抗彎強(qiáng)度增加，機(jī)械性能更加各向同性，然而熱等靜壓燒結(jié)使得四方相氧化鋯顆粒不容易引起應(yīng)力誘導(dǎo)相變，斷裂韌性有所降低，殘余的拉應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)在表面引起裂紋。等離子燒結(jié)是利用體加熱和表面活化實(shí)現(xiàn)材料超快速致密化；微波燒結(jié)則利用微波使材料實(shí)現(xiàn)高溫?zé)�，區(qū)別于常規(guī)熱輻射燒結(jié)，是一種體積加熱效應(yīng)，擁有燒結(jié)均勻、燒成溫度低、燒結(jié)時(shí)間短、降低活化能、晶粒細(xì)化，降低污染等諸多優(yōu)勢(shì)。
ZTA陶瓷的應(yīng)用
結(jié)構(gòu)陶瓷
在結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域ZTA陶瓷具有許多優(yōu)良性能，如良好的高溫機(jī)械強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、高抗彎強(qiáng)度、高斷裂韌性、抗熱震性、耐磨、抗氧化和抗腐蝕能力。這些使得ZTA陶瓷廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程中，例如，高效燃?xì)鉁u輪機(jī)、航空航天汽車(chē)部件、耐腐蝕涂料、陶瓷管套、切割刀片、密封閥門(mén)、盔甲、模具以及金屬連接部件等。
功能陶瓷
ZTA作為功能陶瓷也具有很多優(yōu)異性能，比如低熱導(dǎo)率、高絕緣性、熱膨脹系數(shù)良好的匹配性、特殊光學(xué)特性、良好的生物相容性。這些優(yōu)良性能使其應(yīng)用于電絕緣體、假肢、壓電陶瓷、牙科陶瓷、陶瓷薄膜，還包括高效過(guò)濾、反滲透、氣體分離、催化和光催化等功能陶瓷領(lǐng)域。
參考資料：
韓翔龍.氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)納米復(fù)合材料的制備與研究
陳勇強(qiáng).微波燒結(jié)制備ZTA陶瓷的工藝及機(jī)理研究
隋育棟.氧化鋯增韌氧化鋁復(fù)相陶瓷制備工藝的研究進(jìn)展
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