小米MIX为何用陶瓷作外壳？关键看氧化锆材料

2016年10月25日，小米发布了一款概念手机叫小米MIX；该手机后盖、边框、甚至连细小的按键都使用了陶瓷材料（潮州三环参与陶瓷结构件的生产），外观极致纯粹，摸起来却浑厚凝脂，韧性也大大高于普通陶瓷。下面视频是小米MIX陶瓷边框、后板和普通陶瓷茶杯的跌落对比：

视频一：小米MIX手机陶瓷中框、后板跌落实验

来源于腾讯视频，ID：手机君

视频二：小米MIX手机陶瓷中框和陶瓷杯跌落对比

 来源于腾讯视频，ID：有理有条今日一条

问题来了，为何小米MIX陶瓷边框未摔碎？

这主要归功于小米MIX手机陶瓷外壳原材料二氧化锆，下面我们一起来了解二氧化锆材料：

一、二氧化锆材料的来源及特性

锆在地壳中的储量超过 Cu、Zn、Sn、Ni 等金属的储量，资源丰富。世界上已探明的锆资源约为 1900 万吨（以金属锆计），矿石品种约有 20 种，主要含有如下几种化合物：

（1）二氧化锆（单斜锆及其各种变体）；

（2）正硅酸锆（锆英石及其各种变体）；

（3）锆硅酸钠、钙、铁等化合物（异性石、负异性石、锆钻石）。

图：ZrO2粉体，来源于百度百科

异性石和负异性石矿中含锆量非常低，无工业价值，因而锆的主要来源为单斜锆矿和锆英石矿，其中以锆英石矿分布广。纯 ZrO2 为白色，含杂质时呈黄色或灰色，一般含有 HfO2，不易分离。单斜 ZrO2 密度5.6g/cm3，熔点2715℃。

ZrO2具有熔点和沸点高、硬度大、常温下为绝缘体、而高温下则具有导电性等优良性质。上个世纪二十年代开始就被用来作为熔化玻璃、冶炼钢铁等的耐火材料，从上个世纪七十年代以来，随着对 ZrO2 有了更深刻的了解，人们进一步研究开发 ZrO2 作为结构材料和功能材料。

图：三环纳米级微晶锆粉体SEM照片

1975年，澳大利亚 R．G．Garvie 以 CaO 为稳定剂制得部分稳定氧化锆陶瓷（Ca-PSZ），并首次利用 ZrO2 马氏体相变的增韧效应提高了韧性和强度，极大的扩展了 ZrO2 在结构陶瓷领域的应用。

1973年，美国 R．Zechnall， G．Baumarm，H．Fisele 制得 ZrO2 电解质氧传感器，此传感器能正确显示汽车发动机的空气、燃料比，1980 年把它应用于钢铁工业。

1982年，日本绝缘子公司和美国 Cummins 发动机公司共同开发出ZrO2 节能柴油机缸套。自此，ZrO2 高性能陶瓷的研究和开发获得了许多进展。

二、为何二氧化锆材料比一般陶瓷耐摔？

在常压下，纯 ZrO2 共有三种晶态：单斜（Monoclinic）氧化锆（m-ZrO2）、四方（Tetragonal）氧化锆（t-ZrO2）和立方（Cubic）氧化锆（c-ZrO2），上述三种晶型存在于不同的温度范围，并可以相互转化：

ZrO2四方相与单斜相之间的转变是马氏体相变，由于四方相转变为单斜相时有 3~5%的体积膨胀和 7~8%的切应变。因此，纯 ZrO2 制品往往在生产过程（从高温到室温的冷却过程）中会发生 t-ZrO2 转变为 m-ZrO2 的相变并伴随着体积变化而产生裂纹，甚至碎裂，因此无多大的工程价值。

但是，当加入适当的稳定剂（如 Y2O3,MgO2,CaO,CeO2 等）后，可以降低 c-ZrO2 →t-ZrO2 与 t-ZrO2→ m-ZrO2 的相变温度，使高温稳定的 c-ZrO2 和 t-ZrO2 相也能在室温下稳定或亚稳定存在。

当加入的稳定剂足够多时，高温稳定的 c-ZrO2 可以一直保持到室温不发生相变。进一步研究发现氧化锆发生马氏体相变时伴随着体积和形状的变化，能吸收能量，减缓裂纹尖端应力集中，阻止裂纹的扩展，提高陶瓷韧性。因此氧化锆相变增韧陶瓷的研究和应用得到迅速发展。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，四方氧化锆多晶体陶瓷及氧化锆增韧陶瓷：

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部分稳定氧化锆陶瓷

当ZrO2 中稳定剂加入量在某一范围时，高温稳定的 c-ZrO2 通过适当温度下时效处理使 c-ZrO2 大晶粒（c 相）中析出许多细小纺锤状的 t-ZrO2（t 相）晶粒，形成 c 相和 t 相组成的双相组织结构。其中 c 相是稳定的而 t 相是亚稳定的并一直保存到室温。在外力诱导下有可能诱发 t 相到 m 相的马氏体相变并伴随体积膨胀，耗散部分能量、抵消了部分外力从而起到增韧作用，称为应力诱导相变增韧。这种陶瓷称之为部分稳定氧化锆(partiallystabilized zirconia，PSZ)，当稳定剂为CaO、 MgO、Y2O3 时，分别表示为 Ca-PSZ、 Mg-PSZ、Y-PSZ 等。

 
图：应力诱导相变增韧

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四方氧化锆多晶体陶瓷

当ZrO2 中稳定剂加入量控制在适当量时可以使 t-ZrO2 以亚稳状态稳定保存到室温，那么块体氧化锆陶瓷的组织结构是亚稳的 t- ZrO2 细晶组成的四方氧化锆多晶体称之为四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonalzirconia polycrystal，TZP)。在外力作用下可相变 t-ZrO2 发生相变，增韧不可相变的 ZrO2 基体，使陶瓷整体的断裂韧性改善。当加入的稳定剂是

Y2O3、CeO2，则分别表示为 Y-TZP、Ce-TZP 等。

 
图：0.1mm厚氧化锆片弯折展示，来源于潮州三环

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氧化锆增韧陶瓷

如果在不同陶瓷基体中加入一定量的 ZrO2 并使亚稳四方氧化锆多晶体均匀的弥散分布在陶瓷基体中，利用氧化锆相变增韧机制使陶瓷的韧性得到明显的改善。这种氧化锆相变增韧陶瓷称为氧化锆(相变)增韧陶瓷(ZirconiaToughened Ceramics，ZTC)。如果陶瓷基体是Al2O3 、莫来石（Mullite）等，分别表示为 ZTA、ZTM 等。

综上所述，氧化锆陶瓷由于具备良好的韧性、表面处理性能等，在手机等3C领域受到热捧！粉末成型圈下一篇文章为：氧化锆陶瓷超细粉体的5大制备技术，敬请期待！

图：小米MIX手机陶瓷外壳，艾邦智造拍摄于潮州三环展台

文章来源于百度文库，粉末成型圈编辑整理