問：什么是氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷？其增韌機理是什么？制備工藝有哪些？

答:1 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷材料簡介

氧化鋁陶瓷具有優(yōu)良的電性能、機械性能、化學穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用非常廣泛的陶瓷材料之一。但其斷裂韌性較低，一般為2.5～4.5 MPa·m，嚴重地限制了它在更廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用，從而增強氧化鋁陶瓷斷裂韌性成了當前研究的熱點之一。

氧化鋯增韌氧化鋁(ZirconiaToughened Aluminum，ZTA)陶瓷材料，它是在氧化鋁母相基質(zhì)中引入一定量的相變材料氧化鋯所形成的一種復相精細陶瓷材料。由于氧化鋁的硬度大、氧化鋯的韌性好，這兩種材料形成了高強度、高韌性的優(yōu)異復合體，在常溫下具有更高的抗折強度和斷裂韌性，因而具有出色的耐磨性能。因此這種復相陶瓷材料既具有氧化鋯陶瓷高韌和高強度的特性，又具有氧化鋁陶瓷高硬度的優(yōu)點，而且隨著這種綜合力學性能的提高，其耐磨性也得到了較大的提高。

2 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的增韌機理

目前，提高氧化鋁陶瓷斷裂韌性有許多途徑，主要有：應(yīng)力誘導相變增韌、相變誘發(fā)微裂紋增韌、表面誘發(fā)強韌化和微裂紋分叉增韌等。在實際材料中，究竟何種機制起主導作用，在很大程度上取決于四方相氧化鋯(t-ZrO2)向單斜相氧化鋯(m-ZrO2)馬氏體相變程度的高低及相變在材料中發(fā)生的部位。

2.1 應(yīng)力誘導相變增韌

當部分穩(wěn)定的t-ZrO2彌散在Al2O3陶瓷基體里，即存在t-ZrO2與m-ZrO2的可逆相變特性，晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變伴隨有3%～5%的體積膨脹。由于二者具有不同的熱膨脹系數(shù)，燒結(jié)完成后，在冷卻過程中，ZrO2顆粒周圍則有不同的受力情況。當基體對ZrO2顆粒有足夠的壓應(yīng)力而ZrO2的顆粒度又足夠小時，則其相變溫度可降至室溫以下，這樣在室溫時ZrO2仍可保持四方相。當材料受到外應(yīng)力時，基體對ZrO2的壓制作用得到松弛，ZrO2顆粒即發(fā)生t-m相變，形成一相變過程區(qū)。在這個過程區(qū)內(nèi)，一方面由于裂紋擴展而產(chǎn)生新的斷裂表面，需要吸收一部分能量；另一方面相變引起的體積膨脹效應(yīng)也要消耗能量；同時相變的晶粒由于體積膨脹而對裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴展。由此可見，應(yīng)力誘導的這種組織轉(zhuǎn)變消耗了外加應(yīng)力，降低了裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，使得本可以繼續(xù)擴展的裂紋因能量消耗造成驅(qū)動力減弱而終止擴展，從而提高了材料斷裂韌性。

2.2 微裂紋增韌

當t-ZrO2彌散在Al2O3陶瓷基體里時，粒徑d>dm(m相晶粒的臨界粒徑)的晶粒在冷卻過程中會發(fā)生t-m相變，由于體積效應(yīng)較明顯而誘發(fā)微裂紋。不論是ZrO2陶瓷在冷卻過程中產(chǎn)生的相變誘發(fā)微裂紋，還是裂紋在擴展過程中在其尖端區(qū)域形成的應(yīng)力誘發(fā)相變導致的微裂，都將起著分散主裂紋尖端能量的作用，從而降低裂紋擴展驅(qū)動力，提高材料的韌性。

3 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的制備工藝

氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的制備工藝主要包括ZrO2/Al2O3復合粉體的制備、坯體成形及燒結(jié)等工序。要制備性能優(yōu)異的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷，獲得優(yōu)質(zhì)的ZrO2/Al2O3復合粉體是重要前提。

氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷復合粉體的制備工藝有混合法、溶膠-凝膠法、共沉淀法和沉淀包裹法等不同方法。其中的關(guān)鍵是，既要保證ZrO2的顆粒細度小且顆粒度分布范圍窄；又要保證ZrO2的均勻分散，使Al2O3顆粒能夠包裹ZrO2，以產(chǎn)生良好的增韌效果。

3.1 ZrO2/Al2O3復合粉體的制備

1)混合法。主要有機械混合法、多相懸浮液混合法、溶膠-懸浮液混合法等。

機械混合法是將組成復合粉體的粉末進行混合、球磨，然后再進行燒結(jié)。該方法直接、簡便，但不能保證多相組分的均勻分散。

多相懸浮分散混合工藝是通過添加分散劑、調(diào)整pH值，先分別制備各組元充分分散的單相穩(wěn)定懸浮液，然后找出各相顆粒均能良好分散的混合懸浮條件，將各單相懸浮液混合，再通過找出共同的絮凝條件可以制備均勻混合的粉體。研究多相固體共同懸浮、共同絮凝的條件，其工作難度較大。

納米溶膠的懸浮不受液體pH值的影響，極大地方便了與其它懸浮液的均勻混合，當2種液體的固相含量均較高時，可攪拌加熱或氣流干燥，以獲得混合較好的納米復相陶瓷。

2)溶膠-凝膠法。溶膠-凝膠法是指有機或者無機的鋯(鋁)鹽在溶液中均勻混合，然后經(jīng)水解、聚合反應(yīng)生成透明的溶膠體系，所得溶膠經(jīng)過老化、聚合形成凝膠，最后凝膠經(jīng)過干燥、煅燒等步驟得到ZrO2/Al2O3納米復合粉體，這種方式可以使ZrO2在Al2O3中得到良好的分散。

3)共沉淀法。它是利用堿性溶液做沉淀劑，將一定質(zhì)量的鋯鹽和鋁鹽溶解在水或乙醇中作為反應(yīng)液，將2種溶液混合制備出ZrO2/Al2O3的前驅(qū)體沉淀，然后經(jīng)過過濾、洗滌、干燥及鍛燒等步驟制備出ZrO2/Al2O3粉體。共沉淀法在沉淀劑溶液與鹽溶液混合的時候存在2種不同的滴定方法，分別是將鋁鹽和鋯鹽的混合溶液滴定到沉淀劑中(共沉淀法)和將沉淀劑滴定到鋁鹽和鋯鹽的混合溶液中去(反共沉淀法)，統(tǒng)稱為共沉淀法。但是因為共沉淀法容易造成鋁離子和鋯離子的分別沉淀，從而使兩種前驅(qū)體沉淀分散得不均勻，因此目前提到的共沉淀法多反共沉淀法為主。沉淀法的優(yōu)點是易于精確控制Al2O3與ZrO2的含量及ZrO2/Al2O3納米復合粉體的組成，而且材料來源廣泛、成本低、工藝簡單等特點。缺點是沉淀在形成的過程中有多個步驟形成團聚，例如滴定速率過慢，沉淀形成后容易形成團聚，抽濾、洗劑過程當中容易造成團聚，干燥、鍛燒過程中也容易發(fā)生團聚。這就為最終ZrO2/Al2O3粉體的性能造成了多個變量和危害。

3.2 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷粉體成形

粉體的成形是指在燒結(jié)前，先將粉體轉(zhuǎn)變成具有一定形狀、大小和強度的坯體。成形會影響氧化鋯、增韌氧化鋁陶瓷素坯的密度及其內(nèi)部的顯微組織的均勻程度，對于陶瓷在燒結(jié)過程的致密化及燒結(jié)后陶瓷包括硬度等在內(nèi)的各項性能具有非常大的影響。

粉體的成形可分為干法成形和濕法成形。干法成形又包括傳統(tǒng)干壓成形、等靜壓成形等。傳統(tǒng)干壓成形可使粉體成為一個較低密度素坯，也可壓碎粉體間的軟團聚，而等靜壓成形(常用的是冷等靜壓)，它是以液體作為壓力傳遞介質(zhì)，素坯可以更加均勻的受壓，冷等靜壓成形主要是為了使素坯獲得更大的致密度從而將坯體在高壓下再次成形以得到密度高、氣孔小、均勻性好的坯體。一般說來，干法成形廣泛應(yīng)用于簡單的陶瓷部件，由于其操作簡單，因此能夠適用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。但是干壓成形制備陶瓷，很難完全消除粉料的團聚行為，這在一定程度上必然會影響最終陶瓷制品的性能，有研究者認為如何防止團聚及解決團聚問題是制備性能優(yōu)異的陶瓷所必須面對的難題。濕法成形需要先將ZrO2/Al2O3納米復合粉體分在液體中制備成懸濁液，濕法成形是將粉體的團聚問題轉(zhuǎn)化成了粉料的分散性問題，有效的控制了素坯中團聚體的生成。但是濕法成形也存在一些問題，如其工序上要比干法成形復雜，而且主體干燥和燒結(jié)前的排膠工序是濕法成形必須解決的問題。濕法成形雖然在一定程度上解決了粉體成形中團聚的問題，但是卻造成了排膠及難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的問題。

3.3 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的燒結(jié)工藝

氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷燒結(jié)可分為有無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)等。對于高純ZrO2/Al2O3燒結(jié)一般為固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度較高，且由于ZrO2與Al2O3的燒結(jié)收縮率不同以及粉體中可能存在團聚體，因此氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷純固相燒結(jié)時可能形成非均勻的差分燒結(jié)。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷在燒結(jié)過程中，ZrO2的粒子將抑制基體Al2O3晶粒長大和燒結(jié)致密化過程。從傳質(zhì)觀點上來看，在晶粒長大過程中，ZrO2粒子有足夠的自擴散能量，可以與晶界交叉點一起移動，這樣粒子對交叉點施加一個拖拽力，阻礙Al2O3基體的晶粒長大。當ZrO2粒子分布不能有效均勻地阻礙每一個Al2O3晶粒長大時，將發(fā)生晶粒的異常長大。

熱壓燒結(jié)可使氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷高度致密化。與無壓燒結(jié)相比，熱壓燒結(jié)的優(yōu)點之一是可以避免差分燒結(jié)，這有利于顯微結(jié)構(gòu)的控制與力學性能的提高。但另一方面，熱壓燒結(jié)中的外加壓力可以導致基體中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而影響ZrO2晶粒的四方到單斜的相變，降低了氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷性能的各向同性。