氧化鋯陶瓷的種類和增韌方法（最新）

氧化鋯陶瓷是具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高硬度，低的熱傳導(dǎo)性，熔點(diǎn)高，抗高溫和腐蝕，化學(xué)惰性和兩性性質(zhì)，在電子陶瓷、功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷等方面的應(yīng)用迅速發(fā)展。氧化鋯陶瓷增韌技術(shù)一直是陶瓷研究的熱點(diǎn)，氧化鋯陶瓷的種類和增韌方法有哪些呢？下面由科眾陶瓷廠來(lái)為大家介紹關(guān)于氧化鋯陶瓷的種類和增韌方法。
 

氧化鋯陶瓷棒
 

作為特種陶瓷材料在電子、航天、航空和核工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而氧化鋯陶瓷材料的致命缺點(diǎn)是脆性，低可靠性和低重復(fù)性，這些不足嚴(yán)重影響了其應(yīng)用范圍。只有改善氧化鋯陶瓷的斷裂韌性，實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)韌化，提高其可靠性和使用壽命，才能使氧化鋯陶瓷真正地成為一種廣泛應(yīng)用的新型材料，因此，氧化鋯陶瓷增韌技術(shù)一直是陶瓷研究的熱點(diǎn)。
 

氧化鋯陶瓷環(huán)

 

一、氧化鋯增韌陶瓷的種類

氧化鋯增韌陶瓷主要有穩(wěn)定氧化鋯陶瓷、部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷、四方氧化鋯多晶體陶瓷、氧化鋯超塑性陶瓷。
 

1、穩(wěn)定氧化鋯陶瓷

穩(wěn)定氧化鋯陶瓷是在制備氧化鋯粉體時(shí)添加一定數(shù)量的穩(wěn)定劑使之固溶入氧化鋯內(nèi)，形成立方相氧化鋯，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變，也就沒(méi)有體積變化的陶瓷材料。常用的穩(wěn)定劑主要有CaO、MgO、Y2O3、CeO2等。

穩(wěn)定氧化鋯陶瓷在泡沫陶瓷、生物陶瓷、特種耐火材料鑄口、冷成形工具、整形模、拉絲模、切削工具、新能源電池電解質(zhì)隔膜等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
 

2、部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷

部分穩(wěn)定氧化鋯具有強(qiáng)度高，脆性低，較高的斷裂韌性，被認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)上最有前途的陶瓷材料。

采用傳統(tǒng)方法或氯化物溶解法制備的氧化鋯攙和5%氧化鈣進(jìn)行穩(wěn)定，組織中合有立方相氧化鋯基體晶粒、非常細(xì)小的晶內(nèi)亞穩(wěn)四方相粒子及單斜氧化鋯粒子，其中的單斜氧化鋯粒子具有兩種形貌，即：粗大的孿晶界粒子和細(xì)的但仍具有孿晶待征的晶內(nèi)粒子。四方相在應(yīng)力誘導(dǎo)下轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嗟南嘧兪乖摬牧铣尸F(xiàn)出優(yōu)良的機(jī)械性能。
 

3、四方氧化鋯多晶體陶瓷

四方氧化鋯多晶體陶瓷的晶粒很小，為了使亞穩(wěn)的四方相保留下來(lái)，必須采用超細(xì)、高純的氧化鋯粉體，且要準(zhǔn)確控制氧化釔的含量，燒結(jié)工藝中要采用低的溫度（1400℃）。

四方氧化鋯陶瓷通過(guò)相變?cè)鲰g具有很高的強(qiáng)度和斷裂韌性，但在中高溫下由于相變?cè)鲰g作用的逐漸消失力學(xué)性能迅速下降。在基體中加入第二相粒子成為復(fù)合材料是提高韌性和高溫力學(xué)性能的有效方法。
 

4、氧化鋯超塑性陶瓷

氧化鋯超塑性陶瓷是通過(guò)控制配料和燒結(jié)，獲得均勻的微細(xì)晶粒僥結(jié)體，實(shí)現(xiàn)微細(xì)晶粒的超塑性。影響氧化鋯陶瓷超塑性的主要因素有下列幾個(gè)方面：

（1）晶粒大小。品粒越細(xì)，晶界面積越大，產(chǎn)生塑性變形就越大。

（2）溫度。在壓力恒定下，應(yīng)變速率隨著溫度提高而增加。

（3）應(yīng)變速率大小。尤其在位伸變形時(shí)，較低的應(yīng)變速率可獲大于200%的拉伸變形，因?yàn)閼?yīng)變速率過(guò)大，在晶界處易形成空洞等，以致造成過(guò)早的斷裂。

（4）空洞大小。要保持較低的應(yīng)變速率，以抑制空洞的生成。

目前，超塑性氧化鋯陶瓷主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞環(huán)，隨著研究的深入，其應(yīng)用前景是廣闊的。氧化鋯材料高溫下具有導(dǎo)電性其晶體結(jié)構(gòu)存在氧離子缺位的特性，可制成各種功能元件。

二、氧化鋯陶瓷的增韌方法：

目前，氧化鋯陶瓷的增韌方法主要有：相變?cè)鲰g、顆粒增韌、纖維增韌、自增韌、彌散韌化、協(xié)同增韌、納米增韌等。
 

1、相變?cè)鲰g

相變?cè)鲰g是指亞穩(wěn)定四方相t—ZrO2在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用下發(fā)生一相變，形成單斜相，產(chǎn)生體積膨脹，從而對(duì)裂紋形成壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展，起到增韌的作用。此外，外界條件（如激光沖擊、疲勞斷裂韌性、低溫、晶粒尺寸和含量、臨界轉(zhuǎn)變能量等）對(duì)氧化鋯陶瓷相變?cè)鲰g有很大的影響，如果相變產(chǎn)生大的應(yīng)力和體積變化，則產(chǎn)品容易斷裂，因此生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)避免外界因素對(duì)氧化鋯陶瓷相變?cè)鲰g的影響。
 

2、顆粒增韌

顆粒增韌是指用顆粒做增韌劑，添加入ZrO2陶瓷粉體中，盡管效果不及晶須與纖維，但若顆粒種類、粒徑、含量和基體材料選擇得當(dāng)，仍有一定的強(qiáng)韌效果。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易行，增韌的同時(shí)會(huì)帶來(lái)高溫強(qiáng)度和高溫蠕變性能的改善。顆粒增韌的韌化機(jī)理主要有細(xì)化基體晶粒和裂紋轉(zhuǎn)向分叉等。
 

3、纖維增韌

纖維、晶須增韌原理是在緊靠裂紋尖端的晶體，由于變形而給裂紋表面加上了閉合應(yīng)力，抵消裂紋尖端的外應(yīng)力，鈍化裂紋擴(kuò)展，從而起到了增韌作用；此外，裂紋擴(kuò)展時(shí)，柱狀晶體的拔出時(shí)也要克服摩擦力，也會(huì)起到增韌的作用。

4、自增韌

氧化鋯陶瓷由于柱狀晶的存在，在氧化鋯陶瓷斷裂過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改變和增加了裂紋擴(kuò)展的路徑，從而鈍化裂紋增加了裂紋擴(kuò)展阻力，達(dá)到增韌的目的。
 

5、彌散韌化

彌散韌化主要是指四方相ZrO2顆粒對(duì)陶瓷基體的韌化，除了相變韌化機(jī)制以外還有第二相質(zhì)點(diǎn)的彌散韌化機(jī)制。在裂紋進(jìn)行擴(kuò)展之前，首先得克服陶瓷本身的內(nèi)部殘余應(yīng)變能，從而達(dá)到增韌的目的。
 

6、微裂紋增韌

微裂紋增韌是指在裂紋應(yīng)力尖端加入韌性材料，使其產(chǎn)生微裂紋，達(dá)到分散應(yīng)力的目的，減少裂紋前進(jìn)的動(dòng)力，從而增加材料的韌性。在材料發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)，往往也會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)變能效應(yīng)以及產(chǎn)生微裂紋。因此，相轉(zhuǎn)變?cè)鲰g的效果是顯著的。
 

7、復(fù)合增韌

復(fù)合增韌是指在ZrO2陶瓷實(shí)際增韌過(guò)程中同時(shí)采用幾種增韌機(jī)理，從而提高ZrO2陶瓷增韌效果。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)所要制備氧化鋯陶瓷材料的不同性能，來(lái)選擇具體的增韌機(jī)理。
 

8、納米增韌

目前，納米增韌主要有三種學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，即：細(xì)化理論，穿晶理論、“釘扎”理論。

（1）細(xì)化理論認(rèn)為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長(zhǎng)大，使基體結(jié)構(gòu)均勻細(xì)化，從而提高納米氧化陶瓷復(fù)合材料的強(qiáng)度韌性。

（2）“穿晶理論”，認(rèn)為納米復(fù)合材料中，基體顆粒以納米顆粒為核發(fā)生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內(nèi)部形成“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)。這樣便能減弱主晶界的作用， 誘發(fā)穿晶斷裂，使材料斷裂時(shí)產(chǎn)生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂，從而提高納米氧化鋯陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性。

（3）“釘扎”理論， 認(rèn)為存在于基體晶界的納米顆粒產(chǎn)生“釘扎”效應(yīng)，從而限制了晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生，晶界的增強(qiáng)導(dǎo)致納米氧化鋯復(fù)相陶瓷韌性的提高。