ZrO2陶瓷相變穩(wěn)定化的研究進展

李瑛娟，滕 瑜，楊志鴻，宋群玲

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校冶金與礦業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650033)

ZrO2陶瓷材料因存在從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嗟鸟R氏體相變(t→m)而被廣泛用于陶瓷材料的增韌方面。目前，在結(jié)構(gòu)陶瓷、電子功能陶瓷、熱障涂層材料及高溫隔熱材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。

ZrO2晶型不穩(wěn)定，在升溫或降溫過程中正方t相與單斜m相之間發(fā)生了可逆的馬氏體相變(t→m)，同時伴隨著一定的體積變化，馬氏體相變過程也可在有應(yīng)力的情況下發(fā)生。在ZrO2陶瓷體系中常摻雜一些低價的氧化物作為穩(wěn)定劑使用，如添加Yb2O3、Y2O3、CeO2、CaO、CuO[2]、BaO[3]、MgO和Al2O3[4-5]等。

近幾年，ZrO2陶瓷的制備方法及工藝、摻雜改性、相變增韌等方面均有大量的研究，本文綜述了近年來國內(nèi)外ZrO2陶瓷相變及穩(wěn)定化的研究現(xiàn)狀與進展情況。

1 ZrO2陶瓷單一摻雜體系相變穩(wěn)定化

目前氧化鋯陶瓷單一摻雜最常見的是在純ZrO2中加入Yb2O3、Y2O3、Al2O3等，得到不同穩(wěn)定或部分穩(wěn)定的復(fù)相陶瓷，不同穩(wěn)定劑穩(wěn)定ZrO2的性能不一樣；采用相同穩(wěn)定劑時，穩(wěn)定劑添加量不同也會帶來ZrO2性能的較大差別。而其他的氧化物通常會通過復(fù)合摻雜的方式來改變復(fù)相陶瓷的性能。

近幾年針對ZrO2陶瓷t→m馬氏體相變開始溫度Ms的影響因素已開展了很多研究，陳守剛等[6]認(rèn)為影響ZrO2相穩(wěn)定性的最重要因素是空位。路新灜等[7]則從晶體學(xué)和配位學(xué)的角度，結(jié)合電化學(xué)技術(shù)，認(rèn)為氧空位的存在與變化影響著ZrO2相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和ZrO2的低溫相變過程。對于含有一定氧空位的亞穩(wěn)四方相ZrO2，氧空位濃度的增加與減少都會進一步降低陶瓷材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使其更容易向單斜相轉(zhuǎn)變。

1.1 Yb2O3穩(wěn)定ZrO2陶瓷

對于Yb2O3穩(wěn)定ZrO2陶瓷，很多研究者采用不同的方法和工藝進行了相應(yīng)研究。張玉[8]采用化學(xué)共沉淀-煅燒方法制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%RE2O3(RE=Dy，Y，Er，Yb)穩(wěn)定ZrO2(簡稱為RESZ)陶瓷粉末并燒結(jié)成相應(yīng)的靶材，探討了RESZ陶瓷靶材的高溫相穩(wěn)定性和斷裂韌性。研究結(jié)果表明：所合成的RESZ粉末均呈現(xiàn)出亞穩(wěn)四方相(t’相)，在 1 400 ℃ 高溫下熱處理后，亞穩(wěn)四方相(t’相)的穩(wěn)定性會隨著RE3+半徑的增大而逐漸減小，其中，YbSZ陶瓷材料體現(xiàn)出最好的高溫相穩(wěn)定性。采用壓痕方法測試了RESZ靶材的斷裂韌性，結(jié)果得出:YbSZ陶瓷的斷裂韌性為5.53±0.10 MPa·m1/2，而YSZ陶瓷的斷裂韌性為5.17±0.08 MPa·m1/2，兩種陶瓷材料的斷裂韌性數(shù)值非常接近。從陶瓷材料的高溫相穩(wěn)定性和斷裂韌性兩方面研究結(jié)果進行綜合考慮，發(fā)現(xiàn)YbSZ將可作為Gd2Zr2O7材料的良好增韌劑進行使用。

Susumu Nakayama等[9]報道了用共沉淀法制備的Yb-TZP陶瓷粉體對力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明:Yb2O3摻雜量為2.6%摩爾分?jǐn)?shù)時，該陶瓷材料的強度達到最大值；就力學(xué)性能的整體而言，Yb-TZP優(yōu)于Y-TZP。伍海東等[10]研究表明，隨Yb2O3的含量增加，亞穩(wěn)定的t-ZrO2會變成穩(wěn)定的c-ZrO2，并且出現(xiàn)新相，使其力學(xué)性能下降。Caimey等[11]研究了Yb2O3和Y2O3對t-ZrO2穩(wěn)定性性能的影響，研究結(jié)果顯示:Yb2O3對t-ZrO2穩(wěn)定性比Y2O3對t-ZrO2穩(wěn)定性好。

1.2 Y2O3穩(wěn)定ZrO2陶瓷

林振漢等[12]通過對不穩(wěn)定ZrO2和穩(wěn)定ZrO2的差熱分析和X衍射分析研究，探討了ZrO2系的相變化和穩(wěn)定劑的固溶機理及穩(wěn)定作用。結(jié)果表明：相變是在一個溫度范圍內(nèi)進行，添加穩(wěn)定劑的類型和數(shù)量對穩(wěn)定相系起著直接的影響，與陽離子半徑和晶格參數(shù)變化等因素有關(guān)。同時比較了Y2O3、CaO、MgO 3種穩(wěn)定劑，得出Y2O3穩(wěn)定的效果最好。因此，ZrO2陶瓷t→m馬氏體相變開始溫度Ms的影響因素主要有成分、t相晶粒尺寸、燒結(jié)溫度、密度、摻雜離子半徑、摻雜空位等，影響材料增韌效果的決定因素是四方相氧化鋯含量和可相變的四方氧化鋯含量。由圖1可知:燒結(jié)溫度和時間相同時，Ms隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而下降，但當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.50%增加至0.75%時，Ms幾乎沒有變化。在相同燒結(jié)條件下，Ms隨著CeO2和Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而顯著降低[13]，類似于鋼中Ms點隨碳含量增高而降低(圖2、3)。

圖1 成分、晶粒尺寸與 Ms 溫度的關(guān)系[13]Fig.1 Relationship between composition, grain size and Ms temperature

圖2 穩(wěn)定劑含量對Ms 溫度的影響[14]Fig.2 Effect of stabilizer content on Ms temperature

吳珊等[14]研究表明當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時，于 1 580 ℃ 常壓燒結(jié)下，Y2O3穩(wěn)定ZrO2陶瓷的綜合力學(xué)性能表現(xiàn)最佳，其斷裂韌性可達6.73 MPa·m1/2。材料的線膨脹系數(shù)與材料的相組成關(guān)系密切，隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，材料的線膨脹系數(shù)也呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。謝志鵬[15]等研究表明，Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其晶粒尺寸越小，材料的Ms溫度越低，在Ms溫度附近使ZrO2陶瓷的斷裂韌性最大。試驗過程中，可以利用摻雜劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸來控制ZrO2陶瓷的Ms溫度略低于使用溫度，可以使斷裂韌性達到最優(yōu)，避免自發(fā)馬氏體相變對力學(xué)性能產(chǎn)生影響。圖4為平均晶粒尺寸與穩(wěn)定劑含量的關(guān)系，由圖4可知，隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，平均晶粒尺寸不斷減小。

圖3 晶粒尺寸與表面能的關(guān)系[15] 圖4 晶粒尺寸與成分的關(guān)系[15]Fig.3 Relationship between grain size and surface energy Fig.4 Relationship between grain size and composition

張帆等[16]以微波熱解制備的ZrO2粉體為原料，Y2O3為燒結(jié)助劑，采用微波燒結(jié)方式制備ZrO2陶瓷，研究了不同Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對ZrO2陶瓷的微波燒結(jié)行為、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)及致密化的影響。結(jié)果表明:在微波燒結(jié)過程中，隨著Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，ZrO2陶瓷的物相從m-ZrO2逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2與t-ZrO2(c-ZrO2)并存，且隨著燒結(jié)助劑Y2O3含量的增加，ZrO2陶瓷的晶粒逐漸變小，降低了樣品致密度。在未添加燒結(jié)助劑時，采用 1 450 ℃ 微波燒結(jié)獲得的樣品致密度高達99%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電阻燒結(jié)所獲得樣品的致密度。

駢小璇以常壓熱解法制備的納米nY-ZrO2(n=0%，3%，5%，7%，9%)粉體作為原料，通過混合微波燒結(jié)法來制備釔穩(wěn)定的ZrO2陶瓷(nY-ZrO2陶瓷)。選用 2 450 MHz 的多模腔微波燒結(jié)爐，在燒結(jié)溫度為1 100～1 550 ℃ 區(qū)間范圍保溫 30 min，通過調(diào)節(jié)入射和反射功率控制其燒結(jié)制度的高低，實現(xiàn)了其微波燒結(jié)制度的有效可控性。研究結(jié)果表明：微波燒結(jié)nY-ZrO2陶瓷過程中，低溫階段以SiC輔助加熱為主，高溫階段以ZrO2自身損耗加熱為主，可以在不同溫度階段選擇加熱的微波燒結(jié)特性。與純m-ZrO2陶瓷相比，Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷在微波燒結(jié)過程中需要的入射功率更高，燒結(jié)時間更長。采用微波燒結(jié)法在最佳燒結(jié)溫度為 1 450 ℃ 下，能成功制備出致密度為99%的純m-ZrO2陶瓷，顯微硬度為4.0 GPa，其晶粒細(xì)小而均勻[17]。

呂明等[19]用微波燒結(jié)和常規(guī)方法制備了Y2O3摻雜(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%)的ZrO2陶瓷(2Y-TZP陶瓷)，結(jié)果表明：微波燒結(jié)的2Y-TZP陶瓷材料平均晶粒尺寸比臨界晶粒尺寸大很多，但其四方相的含量卻比常規(guī)燒結(jié)的樣品多，微波燒結(jié)的2Y-TZP陶瓷材料抗彎強度較高。

呂亮等[20]采用溶膠-凝膠法結(jié)合放電等離子體燒結(jié)(SPS)技術(shù)成功制備出立方相結(jié)構(gòu)的摻雜(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%)Y2O3的ZrO2(8YSZ)陶瓷靶材，采用SPS方法制備出的樣品致密度為92.7%，顯微維氏硬度為 1 551 MPa。

通過不同方法的 Y2O3穩(wěn)定ZrO2陶瓷制備工藝的研究表明：稀土氧化物也可作為穩(wěn)定劑、燒結(jié)助劑或摻雜改性劑加入到 ZrO2陶瓷材料中。經(jīng)過燒結(jié)，ZrO2陶瓷的強度、韌性均會得到改善，燒結(jié)溫度降低，同時還降低了生產(chǎn)成本[21]。

表1 不同制備方法的 Y2O3 穩(wěn)定ZrO2陶瓷的粒徑、優(yōu)缺點比較[21]Tab.1 Comparison of particle size,advantages and disadvantages of Y2O3 stabilized ZrO2 ceramics prepared by different methods

1.3 Al2O3/ZrO2相變增韌陶瓷

謝祥華[25]通過在ZrO2基體中添加不同含量的Al2O3，采用不同的燒結(jié)工藝制備成ZrO2基齒科復(fù)合材料。ZrO2在冷卻的過程中會發(fā)生t→m的相變，添加的Al2O3與基體ZrO2無化學(xué)反應(yīng)，沒有產(chǎn)生新相。適量Al2O3的加入提高了ZrO2基齒科材料的致密度、顯微硬度、斷裂韌性和抗彎強度，在Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%時，綜合性能相對較佳；純3Y-TZP陶瓷的硬度和抗彎強度在燒結(jié)溫度從 1 350 ℃ 升高至 1 550 ℃ 期間普遍下降，而7.5Al2O3-92.5ZrO2復(fù)相陶瓷的性能是先增加后降低，在 1 500 ℃ 時相對較好。隨著保溫時間的延長，兩者性能都是先增后降，較佳的保溫時間為 30 min。純3Y-TZP陶瓷和7.5Al2O3-92.5ZrO2復(fù)相陶瓷的較佳一次低溫?zé)Y(jié)溫度分別為 900 ℃和 950 ℃。試樣經(jīng)二次微波燒結(jié)后各項性能均優(yōu)于二次常規(guī)燒結(jié)和一次微波燒結(jié)。

2 ZrO2陶瓷復(fù)合摻雜體系相變穩(wěn)定化

摻雜單一穩(wěn)定劑的ZrO2陶瓷各有優(yōu)缺點，可通過多種穩(wěn)定劑的共同穩(wěn)定作用來改善陶瓷材料的燒結(jié)性能，提高陶瓷材料的力學(xué)性能。如可在Y-TZP中添加適量的CeO2[26]， Ce-TZP具有良好的抗低溫水熱腐蝕性能，可有效抑制TZP陶瓷材料的低溫老化現(xiàn)象，達到共同穩(wěn)定的效果。在Mg-PSZ陶瓷材料中添加CeO2進行復(fù)合摻雜[27]，通過抑制PSZ材料中的亞共析分解反應(yīng)來改善材料的抗高溫老化能力，同時提高PSZ陶瓷材料的抗低溫水化性能。Nakayama[28]比較了Yb2O3和Y2O3對ZrO2陶瓷力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明:相同含量的Yb2O3和Y2O3，Yb2O3的添加使ZrO2的強度提高更明顯；同時探討了La2O3對Y-TZP的穩(wěn)定作用，結(jié)果表明：向2.6Y-TZP中添加0.3%～0.5%La2O3，可以在保持其彈性模量不變的前提下，有效抑制Y-TZP于250℃下的性能老化現(xiàn)象，復(fù)合穩(wěn)定效果明顯。

目前，添加稀土氧化物到ZrO2陶瓷中，稀土氧化物單一穩(wěn)定ZrO2陶瓷，或稀土氧化物與常用穩(wěn)定劑的復(fù)合穩(wěn)定ZrO2陶瓷效果方面也有了大量的研究。Yanmei Kana等[29]研究了Yb2O3和Y2O3共摻雜對ZrO2陶瓷結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，得出隨著Yb2O3添加量的增加，(Yb，Y)-ZrO2體系陶瓷材料的硬度逐漸增加，斷裂韌性則會隨之減?。桓邷叵?，隨著時間的延長，陶瓷體系的硬度降低，最后表明：當(dāng)采用摩爾分?jǐn)?shù)為0.01 Yb2O3和摩爾分?jǐn)?shù)為0.01 Y2O3共同摻雜時，ZrO2陶瓷體系材料的綜合性能最佳。L.Guo等研究了Yb2O3和Gd2O3共同摻雜對YSZ陶瓷的相穩(wěn)定性、機械性能與絕熱性能的影響[30]，結(jié)果表明：在 1 500 ℃ 保溫 10 h，摩爾分?jǐn)?shù)為0.01Yb2O3和摩爾分?jǐn)?shù)為0.01Gd2O3共同摻雜YSZ(1Gd1Yd-YSZ)體現(xiàn)出較高的亞穩(wěn)態(tài)四方相的抗擾動性，與YSZ(5Gd1Yb-YSZ)相比有相對較高的韌性。

范長頡[32]通過放電等離子體燒結(jié)(SPS)，分別以納米多晶粉體和非晶粉體作為原料制備了Al2O3-ZrO2納米陶瓷復(fù)合材料，并研究了初始粉體狀態(tài)對致密化過程和微觀結(jié)構(gòu)的影響：將納米多晶粉體通過SPS在 1 400 ℃ 下燒結(jié)為致密的納米靶材，晶粒尺寸約為 320 nm；將非晶粉體通過SPS在 1 200 ℃ 下燒結(jié)為完全致密的納米靶材，晶粒尺寸約為 150 nm。非晶粉體比納米多晶粉體可以在較低的溫度下燒結(jié)成致密納米靶材，這種現(xiàn)象稱為非晶粉體在燒結(jié)中的相轉(zhuǎn)變。這一發(fā)現(xiàn)為納米陶瓷靶材的低溫?zé)Y(jié)提供了新的思路。

吳占德[33]根據(jù)差熱分析(DTA)、X射線衍射(XRD)分析、掃描電鏡(SEM)和一些陶瓷的機械性能分析等研究了向Al2O3、SiO2、ZrO2和Y2O3混合物中逐漸添加體積分?jǐn)?shù)為1%～5%α-βSi3N4納米粉末并通過傳統(tǒng)的放電等離子體(SPS)燒結(jié)的莫來石-ZrO2/Y2O3陶瓷的致密化過程和顯微結(jié)構(gòu)變化過程。莫來石逐漸形成并在 1 200～1 400 ℃ 下開始發(fā)生明顯的致密化。傳統(tǒng)燒結(jié)試樣和SPS燒結(jié)試樣通過收縮率和密度得到了證實。在這2種燒結(jié)情況下，Si3N4添加劑對密度特征的影響不太顯著。SPS試樣的密度達到了 3.33 g·cm-3，而傳統(tǒng)燒結(jié)試樣則為 2.55 g·cm-3，且SPS試樣的抗壓強度隨著Si3N4添加劑含量的增加而增大，達到了 600 N·mm-2。在傳統(tǒng)燒結(jié)情況下，抗壓強度值降低后達到約 100 N·mm-2。以傳統(tǒng)燒結(jié)和SPS法燒結(jié)的陶瓷試樣的基本顯微結(jié)構(gòu)是由加入ZrO2晶粒后形成的莫來石(或偽莫來石)晶體變化所得到的。通過SPS燒結(jié)得到的陶瓷試樣其顯微結(jié)構(gòu)排列十分致密，且不是典型的棱柱形。傳統(tǒng)燒結(jié)過程中顯微結(jié)構(gòu)形成空位，隨著Si3N4添加劑含量的增加，由形成的莫來石晶體填充。

王明輝[34]采用3Y-ZrO2粉體和石墨烯(Graphene)為原料，利用SPS燒結(jié)制備了Graphene/ZrO2復(fù)合陶瓷材料。利用SEM、HRTEM、XRD、激光熱導(dǎo)儀等研究了燒結(jié)溫度和石墨烯含量對Graphene/ZrO2復(fù)合陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)、物相和熱傳導(dǎo)性能的影響。結(jié)果表明：添加石墨烯不但可以抑制ZrO2晶粒的生長，而且對復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性有著顯著的影響；相對于單相ZrO2陶瓷，隨著石墨烯的引入，Graphene/ZrO2復(fù)合陶瓷材料擴散系數(shù)反而降低。同時以3Y-ZrO2粉體和石墨烯納米片為原料，采用SPS技術(shù)制備了石墨烯納米片復(fù)合ZrO2陶瓷，結(jié)果表明：燒結(jié)溫度和石墨烯納米片對所制各樣品的顯微結(jié)構(gòu)和性能都有顯著的影響。隨著燒結(jié)溫度的增加，樣品的密度提高，晶粒生長明顯。而石墨烯納米片的引入則顯著抑制了ZrO2晶粒的生長；但是由于分散性問題，其顯微硬度和斷裂韌性反而略有降低[35]。

曹書光[36]以ZrO2、TiO2、Yb2O3為原料，在摩爾分?jǐn)?shù)為0.03 Yb2O3-ZrO2體系的基礎(chǔ)上用Ti部分取代Zr4+，在Zr0.94-xYb0.06TixO1.97體系中，摻入摩爾分?jǐn)?shù)為0.01 TiO2的陶瓷材料擁有較高的斷裂韌性、合適的硬度和良好的抗低溫老化性等特點，適合作為結(jié)構(gòu)陶瓷材料的候選材料之一。

郭明[37]認(rèn)為ZrO2透明陶瓷韌性高、抗彎強度高、耐磨性高、隔熱性能優(yōu)異，且摩爾分?jǐn)?shù)為0.08 Y2O3摻雜的ZrO2(8YSZ)為立方結(jié)構(gòu)，具有高折射率、良好的光學(xué)透明性和化學(xué)穩(wěn)定性，是一種性能優(yōu)異的光學(xué)材料，在航空、航天以及國防工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。而在ZrO2透明陶瓷中添加稀土元素Er和Yb可以進一步拓展其在透明激光陶瓷中的應(yīng)用。以ZrOCl2·8H2O、Y2O3和氨水等為原料，采用化學(xué)共沉淀法制備8YSZ和Er3+/Yb3+：8YSZ納米粉體，并采用氫氣氣氛燒結(jié)制備ZrO2透明陶瓷。結(jié)果表明：在相同燒結(jié)條件下，添加燒結(jié)助劑ZnO試樣的相對密度、硬度、斷裂韌性和透光率均高于未添加燒結(jié)助劑的試樣，說明添加劑能夠有效降低燒結(jié)溫度、提高ZrO2透明陶瓷的透光率和性能。多元稀土復(fù)合ZrO2陶瓷的性能比較如表2所示。

表2 多元稀土復(fù)合ZrO2陶瓷的性能比較[21]

3 高溫?zé)嵴贤繉又衂rO2摻雜穩(wěn)定劑的研究

20世紀(jì)60年代，高溫?zé)嵴贤繉又?，MgO和CaO常作為穩(wěn)定劑摻雜ZrO2，結(jié)果以這2種氧化物作為穩(wěn)定劑的涂層組織其穩(wěn)定性不佳，燃?xì)獾牧蚧饔脮?dǎo)致兩種摻雜氧化物MgO和CaO從涂層中析出，削弱了對ZrO2相的穩(wěn)定作用，降低了涂層的熱循環(huán)壽命，目前又趨向于采用Y2O3[38-39]作為高溫?zé)嵴贤繉又衂rO2的摻雜劑。Miller等研究了不同Y2O3含量摻雜ZrO2陶瓷涂層的熱物理性能[40]，結(jié)果表明：當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%時，陶瓷涂層抗熱循環(huán)性能最佳，并且壽命最長。Raghavan等也研究了ZrO2-Y2O3-Ta2O5(Nb2O5)復(fù)合陶瓷材料的性能[41]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在 1 000～1 500 ℃ 范圍內(nèi)ZrO2-Y2O3-Ta2O5(Nb2O5)復(fù)合陶瓷材料均為四方結(jié)構(gòu)，沒有明顯相變現(xiàn)象，并具有較低的熱導(dǎo)率[1.8～2.8 W/(m·K)]、寬的彈性模量范圍(150～232 GPa)以及與YSZ相近的熱膨脹系數(shù)。

上文提過，張玉[8]研究了不同稀土氧化物摻雜ZrO2的高溫相穩(wěn)定性和斷裂韌性，采用化學(xué)共沉淀-煅燒方法制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% RE2O3(RE=Dy，Y，Er，Yb)穩(wěn)定ZrO2(簡稱為RESZ)陶瓷粉末并壓制成靶材，得出YbSZ具有最佳的高溫相穩(wěn)定性。李其連采用化學(xué)共沉淀法制備了Sc2O3、 Gd2O3和Yb2O3共摻雜ZrO2(SGYZ)陶瓷粉末，該材料用于熱障涂層的制造，可大幅度提高燃?xì)廨啓C的耐久性。陶瓷粉末經(jīng)團聚造粒和 1 150 ℃ 進行 2 h 燒結(jié)，其流動性和松裝密度符合等離子噴涂工藝要求。結(jié)果表明：Sc2O3、Gd2O3和Yb2O3共摻雜ZrO2熱噴涂粉末材料及其涂層具有優(yōu)異的相穩(wěn)定性，即使在 1 400 ℃ 熱處理 500 h 該材料依然保持非轉(zhuǎn)變四方相結(jié)構(gòu)，無四方相至單斜相的相變發(fā)生，其等離子噴涂涂層熱導(dǎo)率比單一Y2O3穩(wěn)定ZrO2涂層明顯降低，抗熱沖擊性能明顯改善。Sc2O3、Gd2O3和Yb2O3共摻雜ZrO2可作為先進燃?xì)廨啓C新型超高溫?zé)嵴贤繉雍蜻x材料。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

近年來對于ZrO2陶瓷在制備方法及工藝、摻雜改性、相變增韌等方面的研究取得了很大的進展，應(yīng)用范圍也得到了拓寬。

1)目前，對ZrO2陶瓷相變的研究主要集中在各種不同穩(wěn)定劑與ZrO2形成的相圖測定、相變熱力學(xué)、動力學(xué)條件等方面的研究，而對不同穩(wěn)定體系的相變穩(wěn)定化機理方面的研究還不夠系統(tǒng)深入。

2)近年來的大量研究結(jié)果表明，ZrO2陶瓷材料在室溫下具有較高的抗折強度和斷裂韌性，但是它的造價比較昂貴，而ZrO2陶瓷本身相變臨界尺寸很小，導(dǎo)致高溫下會發(fā)生嚴(yán)重蠕變現(xiàn)象，存在中低溫時效老化后性能嚴(yán)重劣化等問題。向ZrO2陶瓷中添加第二穩(wěn)定相，可以改善陶瓷材料的力學(xué)性能和低溫老化現(xiàn)象，如添加的Al2O3會有效抑制陶瓷的低溫老化現(xiàn)象。

3)復(fù)合摻雜可有效避免單一摻雜的弊端，可以改善ZrO2陶瓷的燒結(jié)性能和力學(xué)性能，采用不同的燒結(jié)技術(shù)可以達到不同性能改善的結(jié)果，需要綜合分析其優(yōu)勢和不足，最終根據(jù)實際需求擇優(yōu)選取相應(yīng)體系。

4.2 展 望

在今后的研究過程中，要不斷摸索陶瓷的最佳生產(chǎn)工藝條件，專門研究需重點解決的問題，如怎么解決Y-TZP的低溫老化機理和防止低溫老化的有效途徑，如何實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)Mg-PSZ體系，改善其高溫力學(xué)性能的同時擴大其應(yīng)用范圍，在Ce-TZP體系陶瓷制備過程中，如何適當(dāng)控制晶粒的長大，探索最佳力學(xué)性能制備工藝等。

目前，大多數(shù)科研工作者普遍認(rèn)為Al2O3對ZrO2有補強作用，反過來ZrO2對Al2O3具有增韌作用。而Al2O3最佳添加量是多少才會使Al2O3-ZrO2陶瓷材料具有最佳的斷裂韌性和抗彎強度，仍需進一步深入探討、進行系統(tǒng)研究，以使陶瓷材料的綜合性能最佳，拓寬其應(yīng)用范圍。

ZrO2陶瓷的復(fù)合摻雜一直都是熱門研究領(lǐng)域，但復(fù)合摻雜會使整個研究體系的組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，由此衍生出一些急需解決的新問題，比如復(fù)合穩(wěn)定劑的合適添加量與配比對ZrO2材料的燒結(jié)性能、燒結(jié)工藝、力學(xué)性能及抗低溫老化現(xiàn)象等方面的影響，以及復(fù)合穩(wěn)定劑之間的協(xié)同作用機理等方面的問題，都將成為今后復(fù)合穩(wěn)定ZrO2陶瓷的主要研究熱點內(nèi)容和方向。

除此之外，由于ZrO2陶瓷從低溫到高溫會發(fā)生相變，并伴隨著體積的變化，因此一般無法用傳統(tǒng)燒結(jié)方法得到塊體材料，所以無法通過開展相應(yīng)實驗研究來探討ZrO2陶瓷的某些性能。本文提出利用計算材料學(xué)輔助篩選出更佳的穩(wěn)定劑，將篩選的結(jié)果再用傳統(tǒng)方法進行制備，摸索最佳燒結(jié)工藝條件，分析解釋實驗過程，大大縮短了最佳穩(wěn)定添加劑的新體系陶瓷材料的探索周期，降低了生產(chǎn)成本，提高了熱障涂層的抗熱循環(huán)性能。

本文旨在研究和開發(fā)綜合力學(xué)性能良好、價格相對低廉的ZrO2基陶瓷材料，拓寬其應(yīng)用范圍。針對不同ZrO2基陶瓷體系，要尋找最佳的工藝條件達到最佳的性能，需要通過探索實踐，得到最優(yōu)陶瓷體系，為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用提供理論支撐。