浅谈氧化锆增韧氧化铝陶瓷的机理

         目前，研究较多且较有成效的是氧化锆增韧陶瓷。其中，氧化锆增韧氧化铝陶瓷被证明具有较好的增韧效果。


        陶瓷材料的断裂韧性与同其弹性模量E、泊松比ν及断裂表面能有关。由于弹性模量和泊松比是非显微结构敏感参数，所以提高材料的断裂韧性主要依靠增加断裂表面能。从断裂力学的角度，增加自由表面能形成新生表面，减小气孔率，减小晶粒尺寸，适当的应力诱导相变，形成微裂纹等都可能提高材料的断裂韧性。


1.应力诱导相变增韧


        当部分稳定的t-ZrO2弥散在Al2O3陶瓷基体里，即存在t-ZrO2与m-ZrO2的可逆相变特性，晶体结构的转变伴随有3-5％的体积膨胀。同时，由于两者具有不同的热膨胀系数，烧结完成后，在冷却过程中，ZrO2颗粒周围则有不同的受力情况。


        当基体对ZrO2颗粒有足够的压应力，而ZrO2的颗粒度又足够小，则其相变温度可降至室温以下，这样在室温时ZrO2仍可保持四方相。当材料受到外应力时，基体对ZrO2的压抑作用得到松弛，ZrO2颗粒即发生t-m相变，形成一相变过程区。

        在过程区内，一方面，由于裂纹扩展而产生新的断裂表面，需要吸收一部分能量；另一方面，相变引起的体积膨胀效应也要消耗能量；同时，相变的晶粒由于体积膨胀而对裂纹产生压应力，阻碍裂纹扩展。

        由此可见，应力诱导的这种组织转变消耗了外加应力，降低了裂纹尖端的应力强度因子，使得本可以继续扩展的裂纹因能量消耗造成驱动力减弱而终止扩展，从而提高了材料断裂韧性。这就是ZrO2的应力诱导相变增韧。


微裂纹增韧


        t-ZrO2弥散在Al2O3陶瓷基体里时，粒径d＞dm（ｍ相晶粒的临界粒径）的晶粒在冷却过程中会发生t-m相变，由于体积效应较明显而诱发微裂纹。这样，不论是ZrO2陶瓷在冷却过程中产生的相变诱发微裂纹，还是裂纹在扩展过程中在其尖端区域形成的应力诱发相变导致的微裂纹，都将起着分散主裂纹尖端能量的作用，从而降低了裂纹扩展驱动力，提高了材料的韧性，称为微裂纹增韧。