陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，可用作结构材料、刀具材料及功能材料。不过由于在陶瓷中缺少独立的滑移系，材料一旦处于受力状态就难于通过滑移所引起的塑性形变来松弛应力，因此具有脆性大、易断裂的缺点。

多年来许多研究者提出多种增韧补强方法和先进的工艺技术，通过在陶瓷材料中添加增强相如TiC、TiN、TiB、(W，Ti)C、WC、ZrO₂、Y₂O₃等成分，利用第二相、第三相材料进行颗粒弥散强化、纤维补强、晶须增韧、相变增韧或协同增韧补强，都可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高。其中利用部分稳定氧化锆进行增韧是最为成功的增韧方法之一，除了可增韧稳定的氧化锆以外，还可对氧化铝、氧化钍、尖晶石、莫来石等氧化物陶瓷进行增韧。本篇文章就带大家了解一下如何利用氧化锆提升陶瓷产品的韧性。

氧化锆增韧机理

氧化锆增韧陶瓷是多种机制相互作用的结果，包括相变增韧、应力微裂纹增韧、残余应力增韧铁和弹性增韧等。

01 相变增韧

氧化锆有低温型单斜相（m-ZrO2）、中温型四方相（t-ZrO2）和高温型立方相（c-ZrO2）三种晶相，它们在一定温度和压力下具有可逆转变，单斜相在室温至1170 ℃稳定存在，1 170 ℃～2 370 ℃为亚稳态四方相，而2 370 ℃以上则转变为高温稳定态立方相结构，相变增韧利用的就是ZrO2的这种马氏体相变的特性。

氧化锆三种晶型及其相互转化关系

氧化锆增韧的陶瓷烧结后在冷却过程中原本会从亚稳态的四方相转变成单斜相，氧化锆体积膨胀，但当氧化锆粒子足够小或基体的束缚力足够大时，相变将会受到阻碍，因此在室温下四方相得以保留。当受到外力时，由于基体对氧化锆的束缚减弱，使亚稳态的四方相又重新变为单斜相，并吸收能量引起体积膨胀和剪切应变，使主裂纹扩展需要更大的能量，有效阻止了裂纹扩展，从而提升了陶瓷产品的韧性。

02 应力微裂纹增韧

在一定条件下，t→m相变伴随的体积膨胀相变在基体中引起均匀分散又不互相连接的微裂纹。当主裂纹在扩展过程中遇到这些微裂纹时，其扩展路径将改变方向或分叉，降低了裂纹尖端的局部应力集中，并阻碍主裂纹继续扩展的能力，达到增加断裂韧性的效果。因此当微裂纹相互独立时，微裂纹密度越高，增韧效果越好，但也同时导致有效弹性模量的降低

微裂纹增韧机制

03 残余应力增韧

当相变过程积累的体积膨胀不足以产生微裂纹时，m-ZrO2晶粒周围产生残余应力。裂纹扩展至残余应力区域时，残余应力得以释放，并起到闭合主裂纹的作用，增大主 纹扩展阻力从而提高材料的断裂韧性。

04 铁弹性增韧

铁弹性增韧是氧化锆陶瓷(含t’-ZrO2)增韧的附加机制，这种增韧方式能够提升材料在高温下的断裂韧性。氧化锆在高温下会形成铁弹畴，当加载应力和释放应力时，并不会改变氧化锆的晶体结构，而是使铁弹性畴在应力作用下重新定向、变形（类似于橡皮筋），从而起到应力缓冲作用，大大提高了材料的高温断裂韧性。

如何利用氧化锆最大限度提升陶瓷增韧效果？

01 添加合适剂量的稳定剂

相变增韧是利用氧化锆增韧的主要机制，但在常温下t-ZrO2无法稳定存在，因此需要添加一定含量的稳定剂，使t-ZrO2稳定性增强。不过需要注意的是，稳定剂的添加量并非越多越好，过量的引入反而会将降低四方氧化锆的相变活性，抑制t→m相变，反而不利于韧性的提高。

目前来说，掺杂离子半径低于四价的碱土和稀土金属氧化物如氧化钙、氧化镁、氧化钇等作为稳定剂是获得室温下稳定的四方或立方氧化锆十分有效的方法。其稳定机理是，将稳定剂的阳离子溶解在氧化锆中，可以取代其中Zr4+的位置，形成置换型固溶体，阻碍四方型氧化锆向单斜晶型的转变，从而促进室温立方或四方氧化锆的稳定。

常见的掺杂阳离子

02 采用合适粒径的氧化锆

ZrO2晶粒尺寸对相变产生重要影响。氧化锆陶瓷的室温组织中存在一种临界相变尺寸，即当晶粒尺寸小于临界相变尺寸时，其室温相为t相。当四方氧化锆烧结体的晶粒尺寸和相变临界尺寸接近时，其增韧效果最佳。而晶粒尺寸远小于临界尺寸，四方氧化锆稳定，在断裂时四方相氧化锆不容易变成单斜相，对相变无明显作用；晶粒尺寸远大于临界尺寸时，在基体中的四方相很容易相变成单斜相，从而产生微裂纹，削弱相变增韧的作用。因此，可通过选取合适粒径的氧化锆作为增韧相或通过加入稳定剂来改变相变临界尺寸，从而使大部分氧化锆的晶粒尺寸控制在临界尺寸范围，获得亚稳态的四方相氧化锆。

03 增加可相变的四方氧化锆含量

在两相的复相陶瓷中，母相与t-ZrO2的弹性模量和热膨胀系数不一致，母体对氧化锆晶粒的抑制产生了抵抗相变的应变能，在受到外力后，氧化锆晶粒则会脱离母体的束缚引发相变。

一般来说，可相变的t-ZrO2体积分数越大，材料的增韧效果越大，断裂韧性越高，但由于t-ZrO2相变存在一个最佳的尺寸范围，即临界晶粒尺寸，因此为了得到最佳的增韧效果，应尽可能地增加可相变的四方氧化锆含量，以提高其体积分数。

04 提高氧化锆颗粒在基质中分散性

在应力微裂纹增韧机制中，利用的是均匀分散又不互相连接的微裂纹来改变裂纹扩展路径，由此分散主裂纹尖端的局部应力，达到提高材料韧性的效果，而为了产生均匀分散的微裂纹，t-ZrO2在基体中分布应尽量均匀。

参考来源：

豆雨欣,罗绍华,张显,等.氧化锆陶瓷增韧机制及其粉体制备的研究进展[J].材料导报.

姚嘉炜. 氧化锆陶瓷材料的制备新工艺与组织性能[D].华南理工大学.

李翔,张秀香,戴姣燕,等.粉体粒径对氧化锆陶瓷断裂韧性的影响[J].机械工程材料.

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