2023年6月28日，東京大學研究生院工學研究科的一個小組宣布，他們開發了一種顛覆陶瓷概念的高強度氧化鋯陶瓷，能表現出與金屬相當的高韌性。除了高強度材料市場外，還有望用于需要高可靠性的廣泛領域。

氧化鋯陶瓷的研究目標與力學性能（與各種工程材料的比較）

研究背景

高強度氧化鋯是一種精細陶瓷，被稱為具有代表性的結構陶瓷，廣泛應用于牙科材料、粉碎球、裝飾材料、光纖連接件、工業設備材料等。其強度和韌性受到構成微觀結構的晶相穩定性的強烈控制，強化機理則通過應力誘導的相變來理解。

高強度氧化鋯具有很好的力學性能，但其韌性不如金屬材料。由于強度和韌性通常彼此權衡，因此很難在不降低強度的情況下實現與金屬相當的高韌性。因此，基于氧化鋯的強化機理，科學家提出了克服脆性的微觀結構假說。

研究進展

研究小組致力于制備氧化釔含量為1.5mol%的四方氧化鋯（1.5Y），這被認為難以獲得高強度氧化鋯。將溶解在固體中的氧化鋯粉水解合成釔，并考察其燒結行為，發現在1300~1400℃下可得到由細晶粒組成的高密度四方氧化鋯。

在1400℃下燒結，晶粒會均勻形成且釔均勻存在于晶粒中，驗證了通過控制假設的微觀結構可以獲得具有低氧化釔濃度的四方氧化鋯。接下來，為了研究該微觀結構的效果，科學家對1.5Y在1400℃燒結的力學性能進行了評價，與釔濃度為3mol%的常規高強度氧化鋯相比，韌性提高了近4倍。

1400°C燒結1.5Y的顯微組織分析

科學家進一步考察了微量氧化鋁摻雜的效果，在1.5Y摻雜了1mol%氧化鋁，并在1350℃下處理了熱各向同性壓力，最終彎曲強度提高到了1500 MPa且不會降低韌性。在對比該材料性能時，科學家發現這次開發的氧化鋯是具有與金屬相當的高韌性，遠遠超過3Y和其他陶瓷的韌性。

力學特性

結語

與傳統的高強度氧化鋯相比，這次東京大學開發的氧化鋯材料不僅具有韌性，而且具有優異的抗劣化性，因此有望加速高強度材料的市場增長，并擴展到需要高可靠性的廣泛領域。

粉體圈Coco編譯