氧化锆陶瓷件优异的性能得到广泛应用

氧化锆陶瓷因具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优良的性能，被广泛应用于各个领域中。常压下纯氧化锆有三种晶型，由于晶型转变产生体积变化，造成开裂。加入适量稳定剂，使氧化锆从高温冷却至室温过程中尽可能多的保留四方相，控制并提高对增韧有贡献的四方到单斜相的有效转变。

氧化钇稳定氧化锆由于其综合性能最好，成为应用最为广泛的氧化锆材料。有研究表明，Y₂O₃含量在2.5mol%时抗弯强度最高；在2mol%时断裂韧性最大。本文主要以Y₂O₃含量在2~2.5mol%的氧化钇稳定氧化锆为原料，制备出综合性能较高的氧化锆陶瓷，并探讨成型和烧结工艺对氧化锆陶瓷性能的影响，从而为生产提供理论依据，进而生产出高性能的氧化锆结构陶瓷。

实验：

将氧氯化锆、硝酸钇、硝酸铝按比例配置成溶液，氨水为沉淀剂，采用共沉淀法制备出钇稳定氧化锆粉体，加入一定比例的PVA，水为介质，湿法球磨，烘干、造粒，得到可成型的钇稳定氧化锆粉(Y-ZrO₂)。在8.3MPa压力下干压，然后在不同压力下冷等静压成型，将制得的生坯在不同温度下烧结，并保温不同时间，研究等静压压力、烧结温度、保温时间对陶瓷密度、抗弯强度、硬度和断裂韧性的影响。具体试样编号如表1所示。

用固体密度计测试试样的体积密度；用抗压抗折试验机，采用三点弯曲法测试试样的抗弯强度；用维氏硬度计，加载载荷196N，保压时间为30s，测试试样的硬度和断裂韧性。

实验结果：

等静压压力对陶瓷性能的影响

相对密度是衡量陶瓷材料烧结程度的一种表征手段，相对密度越大，说明材料的体积密度越接近理论密度；相反，相对密度越小，材料的体积密度越小，材料中气孔等缺陷越多。不同等静压压力对Y-ZrO₂陶瓷密度的影响如图1所示。

其中Y-ZrO₂陶瓷的理论密度取6.10g/cm³计算。由图1可知，等静压压力为50MPa时，相对密度达到99.1%，随等静压压力的增大，相对密度增大，100MPa后趋于稳定，达到99.8%以上。冷等静压可以提高坯体的致密性和均匀性，但达到一定压力后，可流动的颗粒减少，孔隙较少，继续增大压力意义不大。

氧化锆陶瓷的抗弯强度主要与材料的致密度有关，两者大致符合指数关系，即σ=σ₀exp(-bp)(p为气孔率；σ为气孔率为p时的强度；σ₀为气孔率为0时的强度；b为常数）。材料密度增大，孔隙率减小，抗弯强度增大。不同等静压压力对Y-ZrO₂陶瓷抗弯强度的影响如图2所示。

由图2可知，随等静压压力的增大，Y-ZrO₂陶瓷的抗弯强度增大，等静压压力100MPa以后抗弯强度均达到1000MPa以上，这与图1结果是相吻合的。

不同等静压压力对Y-ZrO₂陶瓷硬度和断裂韧性的影响如图3所示。

由图3可知，随等静压压力的增大，Y-ZrO₂硬度和断裂韧性变化不大，硬度达到12GPa以上，断裂韧性达到14.5MPa.m^1/2以上。综合考虑，等静压压力为100MPa以上时Y-ZrO₂陶瓷的综合性能优良，在200MPa时最佳。

烧结温度对陶瓷性能的影响

烧结温度的高低直接影响颗粒尺寸、致密性等，其对陶瓷致密性的影响用陶瓷试样的相对密度变化表示。烧结温度对Y-ZrO₂陶瓷密度的影响如图4所示。

由图4可知，1300℃烧结后，相对密度偏低，低于98%。随着烧结温度的升高，相对密度增大，1350℃后达到99.5%以上，并且在1450℃时达到了100%的完全致密。但烧结温度在1450℃以后，相对密度有所下降，这是因为少量单斜相的出现以及氧化锆晶粒尺寸的异常增大导致的。

烧结温度对Y-ZrO₂陶瓷抗弯强度的影响如图5所示。

由图5可知，氧化锆陶瓷抗弯强度的变化规律与相对密度相同。在 1300℃烧结时，颗粒未充分接触，粘结强度不够，导致材料的抗弯强度偏低；随着烧结温度的升高，颗粒进一步扩大移动，充分接触，气孔减少，材料的抗弯强度增强，在1450℃时达到最大值。但进一步升高温度，由于材料的相对密度有所下降，导致气孔增多，材料的有效承载面积减小，抗弯强度下降。

烧结温度对Y-ZrO₂陶瓷硬度和断裂韧性的影响如图6所示。

由图6可知，在1300℃烧结时，氧化锆陶瓷的硬度和断裂韧性均偏低。随着烧结温度的升高，1350℃以后，材料的硬度变化趋于平稳，达到 12GPa以上。断裂韧性随着烧结温度的

升高而增大，在1450℃达到最大为15.4 MPa.m^1/2，随后有所下降。综合考虑，Y-ZrO₂陶瓷的综合性能在1450℃烧结时最佳。

保温时间对陶瓷性能的影响

保温时间短，陶瓷晶界不能充分的扩散以及晶粒来不及再结晶，导致陶瓷的性能偏低；但是保温时间过长，晶粒异常长大或者二次重结晶，同样不利于陶瓷产品的性能。因此适当的保温时间对陶瓷产品的性能也是至关重要的。保温时间对Y-ZrO₂陶瓷相对密度的影响如图7所示。

由图7可知，保温时间较短时，陶瓷相对密度低于98%，随着保温时间的延长，相对密度先增大后略有下降。这是因为保温时间短，颗粒间扩散时间不够，使得气孔不能完全排出而留在晶粒间，导致陶瓷致密度不够；保温时间延长，气孔减少，陶瓷致密度增加；但保温时间过长，晶粒异常长大，晶粒生长引起临近气孔聚集，导致陶瓷相对密度有所下降。

保温时间对Y-ZrO₂陶瓷抗弯强度的影响如图8所示。

由图8可知，随着保温时间的延长，气孔减少，氧化锆陶瓷的抗弯强度增大，在1.5h-2h达到最大；此时陶瓷达到致密化，继续延长保温时间，晶粒长大，由Hall-petch公式可知，抗弯强度与晶粒大小成反比关系，因此2h后抗弯强度下降。

保温时间对Y-ZrO₂陶瓷硬度和断裂韧性的影响如图9所示。

由图9可知，随保温时间的延长，氧化锆陶瓷硬度变化不大，达到 12GPa以上。断裂韧性基本是先减小后增大，这与陶瓷抗弯强度变化一致。因为一般来说，断裂韧性是随着抗弯强度的增强而减小的

氧化锆陶瓷件在结构陶瓷方面，由于氧化锆陶瓷件具有高韧性、高抗弯强度和高耐磨性，优异的隔热性能，热膨胀系数接近于钢等优点，因此氧化锆陶瓷件被广泛应用于结构陶瓷领域。主要有:Y-TZP磨球、分散和研磨介质、喷嘴、球阀球座、氧化锆模具、微型风扇轴心、光纤插针、光纤套筒、拉丝模和切割工具、耐磨刀具、表壳及表带、高尔夫球的轻型击球棒及其它室温耐磨零器件等。