ZTA陶瓷：氧化锆与氧化铝的“激情碰撞”

中国粉体网讯  氧化铝陶瓷因具有高熔点、高硬度，优异的高温稳定性和低廉的价格而受到人们的广泛关注，但因其韧性较低，在工业、医疗以及生活等领域应用总是容易造成陶瓷材料无先兆的破坏，这极大的限制了氧化铝陶瓷的应用。

将氧化锆引入到氧化铝陶瓷中，可制得氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷。氧化锆在氧化铝陶瓷中能起到相变增韧和微裂纹增韧的作用，对氧化铝陶瓷进行增韧补强，从而改善氧化铝陶瓷的韧性，因此ZTA陶瓷是非常具有前途的陶瓷材料。

ZTA陶瓷的增韧机制

相变增韧

相变增韧是亚稳态的四方相氧化锆向稳态单斜相氧化锆转变过程中引起的增韧效应，相变由裂纹尖端拉应力诱导产生，相变过程伴随着4%的体积膨胀和6%的剪切应变，产生压应力最终阻止裂纹的扩展，需要增加外力才能使裂纹进一步扩展，从而增加了ZTA陶瓷的韧性。

微裂纹增韧

在ZTA中微裂纹主要通过两种方式起增韧作用，一种是由于在烧结过程中氧化锆的晶粒粒径大于临界尺寸，因此在陶瓷降温过程中，相变作用产生了体积的膨胀进而使陶瓷破碎产生了大量的微裂纹。另一种是由于氧化锆粒子与氧化铝相出现热膨胀失配现象，从而造成了微裂纹。当应力作用在微裂纹区域时，微裂纹能够吸收部分能量，减少主裂纹端部的应力集中，从而减缓或者控制裂纹的继续扩散，以达到增加材料韧性的目的。

内晶型结构强化增韧

纳米化效应的生成是由于内晶型结构所产生，其最终结果会使陶瓷内部产生内晶型增韧。但是很难在制备ZTA纳米复合陶瓷的过程中控制氧化铝和氧化锆的晶粒的粒径都在100nm以下，所以，一般只能控制氧化锆的颗粒处在纳米级。因此，ZTA纳米复相陶瓷就是指在陶瓷烧结过程中将氧化锆纳米颗粒引入氧化铝基体中，其最终的烧结结果是不仅氧化锆晶粒存在于氧化铝颗粒之间，而且还有相当一部分的氧化锆颗粒被氧化铝包围在晶粒内，从而在受到外力作用时引发内晶型增韧。

ZTA陶瓷粉体的制备

ZTA粉体的制备工艺有很多，从物料的状态大致可以分为固相法、气相法和液相法。由于液相法具有原料来源广、操作条件简易、粉体尺寸和性能稳定以及生产成本较低等优点，所以成为较为理想的ZTA陶瓷粉体的制备方法。液相法又可进一步分为溶胶-凝胶法、沉淀法、水热合成法、微乳液法等。

溶胶-凝胶法可以在低温等温和条件下进行反应，并且具有产物颗粒小，ZTA粉体分布均匀、组成易于控制等优点，但是其反应时间长、原料成本高、生产能力小等，因此不适合大规模的工业化量产；沉淀法的优点是易于精确氧化铝与氧化锆的含量以及ZTA粉体的组成，而且材料来源广、成本低、工艺简单，缺点是在沉淀的形成过程中有多个步骤容易形成团聚；水热合成法制备的粉体纯度非常高、颗粒粒径小，而且粉体氧化物的结晶度高，但是其反应条件苛刻，对设备性能要求高，投资成本大，所以在工业应用上得不到大范围普及；微乳液法制备出的纳米颗粒粒度分布比较均匀且易于控制，但是在制备粉体的过程中需要大量的有机溶剂，沉淀物不易分离、洗涤，反应条件非常苛刻，不能够在工业生产中广泛应用。

ZTA陶瓷的成型

成型会影响ZTA陶瓷素坯的密度及其内部的显微组织的均匀程度，对于陶瓷在烧结过程的致密化及烧结后陶瓷包括硬度等在内的各项性能具有非常大的影响。粉体的成型可分为干法成型和湿法成型。干法成型又包括传统干压成型、等静压成型等。

传统干压成型可使粉体成为一个较低密度素坯，也可压碎粉体间的软团聚，而等静压成型（常用的是冷等静压），它是以液体作为压力传递介质，素坯可以更加均匀的受压，冷等静压成型主要是为了使素坯获得更大的致密度从而将坯体在高压下再次成型以得到密度高、气孔小、均匀性好的坯体。一般说来，干法成型广泛应用于简单的陶瓷部件，由于其操作简单，因此能够适用于大规模的工业化生产。但是干压成型制备陶瓷，很难完全消除粉料的团聚行为，这在一定程度上必然会影响最终陶瓷制品的性能。

湿法成型也存在一些问题，如其工序上要比干法成型复杂，而且主体干燥和烧结前的排胶工序是湿法成型必须解决的问题。湿法成型虽然在一定程度上解决了粉体成型中团聚的问题，但是却造成了排胶及难以大规模工业化生产的问题。

ZTA陶瓷的烧结

ZTA陶瓷的烧结方法种类繁多，有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、等离子体烧结等。另外各种烧结方式相互融合，也会催生更多的烧结方式，例如连续烧结、两步烧结等。

常压烧结是ZTA陶瓷最普遍也是最原始的烧结方式，常压烧结过程中ZTA陶瓷中发生的一系列物理化学变化以及成品的性能是研究其烧结特性的最初依据，ZTA陶瓷坯体在高温作用下颗粒长大，气孔率减小，力学性能增加达到致密化；热压烧结的优势之一是打破常压烧结的临界规则，另一方面高压可以促使产生残余应力，影响四方到单斜的转变，也可以产生各向同性的性能；热等静压烧结使得ZTA陶瓷显微结构更加均匀，颗粒尺寸较小，抗弯强度增加，机械性能更加各向同性，然而热等静压烧结使得四方相氧化锆颗粒不容易引起应力诱导相变，断裂韧性有所降低，残余的拉应力也会出现在表面引起裂纹。等离子烧结是利用体加热和表面活化实现材料超快速致密化；微波烧结则利用微波使材料实现高温烧成，区别于常规热辐射烧结，是一种体积加热效应，拥有烧结均匀、烧成温度低、烧结时间短、降低活化能、晶粒细化，降低污染等诸多优势。

ZTA陶瓷的应用

结构陶瓷

在结构陶瓷领域ZTA陶瓷具有许多优良性能，如良好的高温机械强度、高硬度、高弹性模量、高抗弯强度、高断裂韧性、抗热震性、耐磨、抗氧化和抗腐蚀能力。这些使得ZTA陶瓷广泛应用于结构工程中，例如，高效燃气涡轮机、航空航天汽车部件、耐腐蚀涂料、陶瓷管套、切割刀片、密封阀门、盔甲、模具以及金属连接部件等。

功能陶瓷

ZTA作为功能陶瓷也具有很多优异性能，比如低热导率、高绝缘性、热膨胀系数良好的匹配性、特殊光学特性、良好的生物相容性。这些优良性能使其应用于电绝缘体、假肢、压电陶瓷、牙科陶瓷、陶瓷薄膜，还包括高效过滤、反渗透、气体分离、催化和光催化等功能陶瓷领域。

参考资料：

韩翔龙.氧化锆增韧氧化铝(ZTA)纳米复合材料的制备与研究

陈勇强.微波烧结制备ZTA陶瓷的工艺及机理研究

隋育栋.氧化锆增韧氧化铝复相陶瓷制备工艺的研究进展

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