ZrO2陶瓷相变增韧The transformation toughening of ZrO2 ceramics

姓名：杨懿 姓名： 学号： 学号：1049721100332

ZrO2相变增韧氧化锆简介 氧化锆的稳定化处理 增韧机理 (1)应力诱导相变增韧 ) (2)相变诱发微裂纹增韧 ) (3)表面强化增韧 ) (4)颗粒弥散增韧 )

ZrO2的性质含锆的矿石：斜锆石( 含锆的矿石：斜锆石(ZrO2),锆英石 ， (ZrO2 ·SiO2); ; 颜色：白色(高纯ZrO2); 黄色或灰色(含 黄色或灰色( 颜色：白色(高纯 少量杂质的ZrO ),常含二氧化铪杂质 常含二氧化铪杂质； 少量杂质的ZrO2),常含二氧化铪杂质； 密度： 密度：5.65~6.27g/cm3; 熔点： 熔点：2715℃。

氧化锆晶型转变

单斜m-ZrO2

1170℃ 170 950℃ 950℃

四方t-ZrO2

2370℃ 2370℃ 2370℃ 2370℃

立方c-ZrO2

单斜相和四方相之间相互转化在低温下锆离子趋向于形成配位数小于8的结构，即 单斜相。 纯ZrO2烧结冷却时t→m相变为无扩散相变，伴 随产生约7%的体积膨胀和相当大的剪切应变(约8%); 相反，在加热时，由m→t相变，体积收缩。

氧化锆的稳定化处理常见的ZrO2稳定剂是稀土或碱土氧化 物，比如Y2O3 MgO CeO2 CaO。 机理： 机理：稳定剂的阳离子在ZrO2中具有一 定的溶解度，可以置换其中的锆离子。 而形成置换型固溶体，阻碍四方晶型(t) 向单斜晶型(m)的转变，从而降低氧化锆 陶瓷t-m相变的温度，使t-ZrO2亚稳至室 温。

ZrO2 Y2O3 2YZr ‘ +3 Oo + VO →

根据稳定程度不同，氧化锆相变增韧陶瓷 有三种类型，分别为：部分稳定氧化锆陶瓷(partially stabilized zirconia, PSZ) 四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonal zirconia polycrystal,TZP) 氧化锆增韧陶瓷(Zirconia Toughened Ceramics,ZTC)

应力诱导相变增韧含有部分t-ZrO2陶瓷在 受到外力作用时微裂纹尖端 产生张应力，松弛了四方相 所受的压应力，微裂纹表面 有一层四方相转变为单斜相。 由于单斜相产生7%左右的 体积膨胀和剪切应变导致压 应力，不仅抵消了外力造成 的张应力而且阻止进一步的 相变。

相变诱发微裂纹增韧

四方相转变为单斜相时体积膨胀导致的微裂纹, 四方相转变为单斜相时体积膨胀导致的微裂纹,能在裂 纹扩展过程中吸收能量，减少主裂纹的应力集中，起到提 高断裂韧性的作用。

表面强化增韧表面强化增韧陶瓷材料的断裂往往是从 表面拉应力超过断裂应力开始的。由于ZrO2 陶瓷烧结体表面存在基体的约束较少，tZrO2容易转变为m-ZrO2,而内部t-ZrO2由于 受基体各方向的压力保持亚稳定状态。因此 表面的m-ZrO2比内部的多，而转变产生的体 积膨胀使材料表面产生残余的压应力，可以 抵消一部分外加的拉应力，从而

造成表面强 化增韧。

颗粒弥散增韧弥散增韧主要是在陶瓷基质中加入第二相 ZrO2粒子，这种颗粒在基质材料受拉伸时阻止 横向截面收缩。而要达到和基体相同的横向收 缩，就必须增加纵向拉应力，这样就使材料消 耗了更多的能量，起到增韧作用。 只有ZrO2弥散粒子的直径小于室温相变临 界颗粒直径(一般<1µm)时，才能使陶瓷基 体内储存着相变弹性应变能，导致其韧性和强 度均有不同程度提高。

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