结构陶瓷—氧化锆陶瓷.ppt

（3）t→m相变诱发微裂纹的临界直径: 如前述，d D2的晶粒室温下已经转变成m相，研究表明，在较大的m相晶粒周围，由于体积效应而诱发微裂纹。对较小的m相晶粒周围并没有微裂纹存在。这是由于大晶粒相变时产生的累积变形大，时基体周围产生的拉应力超过了其断裂强度所致，小晶粒相变时的累积变形不足以产生此效应。所以存在一个临界晶粒直径D3，当d D3时，发生相变时诱发微裂纹，而D2 d D3的晶粒虽然产生相变，但不足以诱发微裂纹，但在晶粒相变后的周围存在着残余应力。这种微裂纹和残余应力均会产生增韧效果[46]。 Lange验证了Gaivie所计算的临界晶粒尺寸，并提出在ZTA中t－ZrO2的临界尺寸为15~30nm。所以对一些小于临界尺寸、稳定剂含量高的t－ZrO2晶粒，即使外界抑制全部消除后还是不会发生相变，这部分t－ZrO2晶粒就不可能起任何相变增韧作用。不仅要有适当的ZrO2晶粒尺寸和稳定剂含量，更重要的是使ZrO2晶粒尺寸和稳定剂含量分布这两者都尽量均匀。提高制备工艺对ZrO2晶粒尺寸和稳定剂含量分布的均匀性的控制，是ZrO2增韧陶瓷的关键。众多研究比较一致的看法是在ZrO2增韧陶瓷中起作用的有相变增韧、微裂纹增韧和裂纹弯曲增韧三种机制，其中应力诱导下的相变增韧是最主要的。三种增韧机制中，相变增韧和裂纹弯曲增韧是严格叠加，而在相变增韧和微裂纹增韧同时起作用时，由微裂纹存在的相变增韧作用要小于无微裂纹增韧时的相变增韧，因此不能认为总的增韧是单独起作用时的相变增韧和单独起作用时的微裂纹增韧之和。 9.4氧化锆陶瓷发展过程存在的不足 近年来增韧氧化锆(ZTC)被给予了更多的关注，ZTC结构材料通常用于模具，研磨介质，切削刀具等。但由于ZrO2的相变发生体积变化和晶体形状改变，出现剪切形变。新相与旧相共用的界面保持严格的位相关系等。在1000℃左右发生t→m相变，体积膨胀3%-5%，纯ZrO2材料更明显。由于ZrO2的相变具有与陶瓷生产过程相适应的合适的相变温度和适中的体积变化生产中要求，所以必须考虑用于稳定相的稳定剂种类与加入的含量，基于纯ZrO2的力学性质和抗热震能力都很差，不能作为结构材料。 对于含Y2O3的PSZ或TZP尽管具有优异的室温强度和韧性，但在低温潮湿环境下水分能加速等温t→m相变，所发生低温老化很大程度限制了它的应用。Kobayashi于1981年首次报道Y-TZP的低温老化现象，在250℃潮湿环境下，时效过程中t→m相变材料由表面开始逐渐向内部延伸，产生体积膨胀从而引发微裂纹和宏观裂纹，最终引起材料强度的下降[47]。因此可用表面t相含量来衡量老化程度。随后的大量文献报道了低温老化机制[48，49，50，51，52，54]，普遍认为H2O分子在试样表面发生化学吸附，并分解为OH－和H＋；随后OH－离子进入含Y2O3的PSZ或TZP晶格并迁移，使Zr-O-Zr键断开形成Y－OH。由于键长的变化导致应力集中，使t相失稳，有利于m相的成核长大，这就是目前比较广泛接受的表面化学反应机理。Tsukuma的研究表明只有晶粒尺寸小于0.4μm的Y-TZP老化才不明显[53]。 图4 2Y-TZP在不同温度下时效时抗弯强度与时效时间的关系曲线 图4 为2Y-TZP材料在200－350℃空气中时效时抗弯强度随时效时间变化的关系曲线。低温老化的主要特征是： 1．t→m相变的进程在200－300℃最为迅速。 2．水和水气将加速t→m相变的进行。 3．t→m相变一般由表面向内部进行。 4．提高稳定剂含量和细化组织结构有利于抑制t→m相变。 　 中国.中学政治教学网崇尚互联共享 * * 第四章 氧化锆陶瓷 氧化锆陶瓷是以稳定的立方型氧化锆为主晶相的陶瓷。20世纪70年代利用氧化锆相变特性发展起来的氧化锆增韧陶瓷，具有优异的力学（最高的断裂韧性）和热学等性能，是一类很有发展前途的新型结构陶瓷材料，并已在众多领域中得到广泛应用。 氧化锆陶瓷具有十分优异的物理、化学性能，不仅是耐火材料、高温结构材料和电子材料的重要原料，而且在各种金属氧化物陶瓷材料中，ZrO2的高温热稳定性、隔热性能最好。ZrO2的热导率在常见的陶瓷材料中最低，而热膨胀系数又与金属材料较为接近，成为重要的结构陶瓷材料，特殊的晶体结构使之成为重要的电子材料；ZrO2的相变增韧等特征，已经成为提高复合材料性能的增韧相。 高纯的ZrO2呈白色，较纯的ZrO2呈黄色或灰色。ZrO2化学性能稳定，除硫酸和氢氟酸外，对酸、碱及碱熔体、玻璃熔体和熔融金属都具有很好的稳定性。热导率低、热稳定性好及高温蠕变小是ZrO2的最主要特征。纯ZrO2致密烧结体变形温度高达2400?2500℃，所以ZrO2是高温隔热及结构陶瓷的理想材料。ZrO2陶瓷还具有极好的耐磨性，与Al2O3陶瓷相