氧化锆陶瓷简介

利用离子材料中杂质 空位和结构之间关系对材料进行改性处理 重要工业例子是在氧化锆 ZrO2 通常采用CaO MgO Y2O3稳定其结构 不同温度下氧化锆陶瓷的结构 氧化锆陶瓷简介 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 已在众多的领域中得到广泛的应用 晶型转变 纯ZrO2烧结冷却时发生的 相变为无扩散相变 伴随产生约 的体积膨胀和相当大的剪切应变 约 相反 在加热时 由 相变 体积收缩 由于纯ZrO2制品在加热 冷却过程中要发生晶型转变 引起体积效应 热缩 冷胀 易使制品开裂 因此 纯ZrO2难以烧成致密的块状陶瓷材料 所以要采取稳定晶型的措施 T 相变引起的开裂 为防止相变引起的开裂 通常在纯ZrO2中加入与它结构相似 立方晶型 和阳离子半径与Zr4 相近 半径差 的氧化物 CaO MgO Y2O3 CeO2和其它稀土氧化物 作稳定剂 在高温烧结时 它们将与ZrO2形成立方固溶体 冷却后仍能保持稳定的立方型固溶体 消除了单斜相与四方相的转变 没有体积效应 可避免ZrO2陶瓷开裂 部分稳定氧化锆 然而完全稳定的ZrO2力学性能仍很低 尤其是抗热震性能差 如果减少加入氧化物的数量 小于完全稳定的数量 不使全部氧化物都呈稳定的立方相 而使一部分以四方相的形式存在 由于这种含四方相的材料只使一部分氧化锆亚稳到室温 所以叫做部分稳定氧化锆 四方ZrO2析出物粒子在冷却到 1000 时是否转变成单斜相是决定力学性能的关键 四方相能否保持到室温决定于稳定剂的含量和晶粒大小 陶瓷增韧 在增韧理论和增韧陶瓷的研究方面取得许多重要进展 近来报导ZrO2增韧陶瓷的断裂韧性已达 MPa 弯曲强度达到2000MPa以上 增韧机理主要有 应力诱导相变增韧 微裂纹增韧 残余应力增韧 表面增韧以及复合增韧等 应力诱导相变增韧 氧化锆陶瓷中亚稳的四方相颗粒受基体抑制而处于应力状态 材料在外力作用下 会在裂纹尖端导致应力集中而产生张应力 减小对四方相颗粒的束缚 这时裂纹尖端的应力场可诱发 相变 并产生体积膨胀 相变和体积膨胀过程除吸收能量外 还在主裂纹作用区产生压应力 二者均阻止裂纹扩散 从而提高陶瓷的断裂韧性和强度 微裂纹增韧 部分稳定ZrO2陶瓷在烧结冷却过程中 ZrO2晶粒会自发相变成m ZrO2 引起体积膨胀 在基体中产生微裂纹 相变诱导的微裂纹会使主裂纹扩展时分叉或改变方向而吸收能量 使主裂纹扩展阻力增大 从而使断裂韧性提高 这种机理称微裂纹增韧 氧化锆增韧陶瓷的应用 由于部分稳定ZrO2陶瓷具有优异的力学性能 同时也有较好的耐磨和耐腐蚀性 再加上热传导系数小 隔热性很好 而热膨胀系数又比较大 比较容易与金属部件匹配 所以在目前研制的陶瓷发动机中用于汽缸内壁 活塞顶 缸盖 气门座和气门杆等 其中某些部件是与金属复合而成的 由于陶瓷发动机处于研制阶段 尚有许多问题有待解决 此外 部分稳定ZrO2陶瓷还可作无润滑轴承 拉丝模 冲挤压模 弹簧 刀具 量具 各种喷嘴 陶瓷阀及衬套 机械密封材料 球磨件 各种剪刀 无磁改锥以及生物陶