稳定氧化锆陶瓷的研究现状

1、引言

氧化锆是20世纪70年代发展起来的新型结构陶瓷, 具有优良的力学性能,应用广泛。纯氧化锆从高温冷却到室温的过程中将发生如下相变 :立方相(c)到四方相(t)到单斜相(m), 其中在1150℃左右会发生t到m相变 ,并伴随约5%的体积膨胀 。如果将ZrO₂的t到m相变点稳定到室温,使其在承载时由应力诱发产生t到m相变,由于相变产生的体积效应而吸收大量的断裂能,从而使材料表现出异常高的断裂韧度,产生相变增韧,获得高韧性高耐磨性 。

2、稳定剂对氧化锆陶瓷的稳定作用

常见的ZrO₂稳定剂是稀土或碱土氧化物,而且只有离子半径与Zr⁴⁺半径相差不超过40%的氧化物才能作为氧化锆的稳定剂目前稳定机理还不十分清楚。加入不同量的稳定剂可获得相组成不同的氧化锆陶瓷 ,若使部分t-ZrO₂ 亚稳至室温,就得到部分稳定氧化锆(简称PSZ);若使 t- ZrO₂ 全部亚稳至室温,获得仅含四方氧化锆的多晶体（简称TZP);若使 c- ZrO₂亚稳至室温, 获得 c-ZrO₂单相材料,即全稳定氧化锆(简称 FSZ)。PSZ 和 TZP 中均含有可相变的四方相 ,是常用的相变增韧陶瓷, 作者主要对这两类稳定氧化锆陶瓷的研究进行综述 。

3、常用稳定氧化锆陶瓷的性能

3.1

单一稳定剂稳定的氧化锆陶瓷

最初 ,Y₂O₃、MgO 、CeO 2 、CaO 等稳定剂主要是单独加入氧化锆 ,从而形成了不同稳定剂稳定的氧化锆陶瓷,各稳定剂稳定 ZrO2 的实质大致相同 ,但经它们稳定后的ZrO2 性能却不尽相同, 且相同稳定剂的添加量不同获得的ZrO2性能也存在较大差别。应用中往往根据实际使用要求选择添加合理、适量的稳定剂。现将研究和应用较广的三种氧化锆陶瓷的特性作简要概述。

3.1.1  Y-TZP

Y-TZP 中稳定剂Y₂O₃的原子分数(下同)通常在2%～3%。与其他陶瓷相比, Y-TZP 的烧结温度低,大约在1400～1550℃,材料烧结性能好, 致密度高。该陶瓷具有优良的常温力学性能,抗弯强度通常在1000 MPa以上,最高可达 2 GPa ,断裂韧度一般在10～15 MPa · m1/2, 最高达30 MPa ·m 1/2。

3.1.2  Mg-PSZ

Mg-PSZ 与 Y-TZP 相比 ,其突出优点是在相对较高的温度下具有优良的力学性能和抗蠕变性能,属于使用温度低于800 ℃的中常温结构陶瓷材料。但是 Mg-PSZ 的研制和开发受到两个不利因素的制约:一是MgO在ZrO₂的立方区固溶温度高达1700 ℃, 导致 Mg-PSZ的烧结温度很高(一般在1700～1800 ℃), 使材料的制备和工业化十分困难;二是 Mg-PSZ在高于1000 ℃时易产生晶相分解和大量四方相失稳, 致使材料性能衰退, 严重制约其在高温区的应用。

3.1.3  Ce-TZP

CeO₂是一种较理想的氧化锆稳定剂,作为稳定剂与Y₂O₃相比有如下优点 :价格低廉, 且能在较宽的范围内与氧化锆形成四方相固溶区 。在固溶范围内, 可使 t 到m 的开始相变温度大大降低。另一方面, Ce-TZP 的临界相变晶粒尺寸比 Y-TZP 大,因此不需要超细粉末即可制得性能较好的氧化锆陶瓷材料 。

3.2

多种稳定剂复合稳定的氧化锆陶瓷

利用多种稳定剂的共同稳定作用可在一定程度上弥补相互间单独稳定时的不足,不仅能够改善材料的烧结性能,而且可以大大提高其力学性能。在 Y-TZP 中添加适量的  CeO₂  , 利用 Ce-TZP良好的抗低温水热腐蚀性能, 可以有效地抑制低温老化现象, 这已经成为提高 Y-TZP 低温稳定性的重要途径之一 。

4、其他稳定氧化锆陶瓷材料

除以上几种常用的稳定氧化锆陶瓷材料外 , 近年来 ,有些研究者探讨并研究了其他稀土氧化物稳定的氧化锆陶瓷 。其中比较有代表性的稳定剂是Nb₂O₅ 、Ta₂O₅、La₂O₃等。

5、结语

稳定氧化锆陶瓷的研究取得了丰硕成果, 这不仅为氧化锆陶瓷材料在工程上的实际应用创造了必要的条件 ,而且为多元复合强化氧化锆基结构陶瓷的研制与开发打下了坚实的基础 。但是必须看到,这些成果大多产生在试验基础上, 还缺乏必要的理论支持, 而且氧化锆的有关稳定机理研究还存在较大空白, 所以 ,对氧化锆稳定的相关理论研究, 将成为今后国内外研究者努力的重要方向 。

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