陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點，可用作結構材料、刀具材料及功能材料。不過由于在陶瓷中缺少獨立的滑移系，材料一旦處于受力狀態就難于通過滑移所引起的塑性形變來松弛應力，因此具有脆性大、易斷裂的缺點。

多年來許多研究者提出多種增韌補強方法和先進的工藝技術，通過在陶瓷材料中添加增強相如TiC、TiN、TiB、(W，Ti)C、WC、ZrO₂、Y₂O₃等成分，利用第二相、第三相材料進行顆粒彌散強化、纖維補強、晶須增韌、相變增韌或協同增韌補強，都可使主相陶瓷材料的性能大幅度提高。其中利用部分穩定氧化鋯進行增韌是最為成功的增韌方法之一，除了可增韌穩定的氧化鋯以外，還可對氧化鋁、氧化釷、尖晶石、莫來石等氧化物陶瓷進行增韌。本篇文章就帶大家了解一下如何利用氧化鋯提升陶瓷產品的韌性。

氧化鋯增韌機理

氧化鋯增韌陶瓷是多種機制相互作用的結果，包括相變增韌、應力微裂紋增韌、殘余應力增韌鐵和彈性增韌等。

1.相變增韌

氧化鋯有低溫型單斜相（m-ZrO₂）、中溫型四方相（t-ZrO₂）和高溫型立方相（c-ZrO₂）三種晶相，它們在一定溫度和壓力下具有可逆轉變，單斜相在室溫至1170 ℃穩定存在，1 170 ℃～2 370 ℃為亞穩態四方相，而2 370 ℃以上則轉變為高溫穩定態立方相結構，相變增韌利用的就是ZrO₂的這種馬氏體相變的特性。

氧化鋯三種晶型及其相互轉化關系

氧化鋯增韌的陶瓷燒結后在冷卻過程中原本會從亞穩態的四方相轉變成單斜相，氧化鋯體積膨脹，但當氧化鋯粒子足夠小或基體的束縛力足夠大時，相變將會受到阻礙，因此在室溫下四方相得以保留。當受到外力時，由于基體對氧化鋯的束縛減弱，使亞穩態的四方相又重新變為單斜相，并吸收能量引起體積膨脹和剪切應變，使主裂紋擴展需要更大的能量，有效阻止了裂紋擴展，從而提升了陶瓷產品的韌性。

2.應力微裂紋增韌

在一定條件下，t→m相變伴隨的體積膨脹相變在基體中引起均勻分散又不互相連接的微裂紋。當主裂紋在擴展過程中遇到這些微裂紋時，其擴展路徑將改變方向或分叉，降低了裂紋尖端的局部應力集中，并阻礙主裂紋繼續擴展的能力，達到增加斷裂韌性的效果。因此當微裂紋相互獨立時，微裂紋密度越高，增韌效果越好，但也同時導致有效彈性模量的降低

微裂紋增韌機制

3.殘余應力增韌

當相變過程積累的體積膨脹不足以產生微裂紋時，m-ZrO₂晶粒周圍產生殘余應力。裂紋擴展至殘余應力區域時，殘余應力得以釋放，并起到閉合主裂紋的作用，增大主 紋擴展阻力從而提高材料的斷裂韌性。

4.鐵彈性增韌

鐵彈性增韌是氧化鋯陶瓷(含t’-ZrO₂)增韌的附加機制，這種增韌方式能夠提升材料在高溫下的斷裂韌性。氧化鋯在高溫下會形成鐵彈疇，當加載應力和釋放應力時，并不會改變氧化鋯的晶體結構，而是使鐵彈性疇在應力作用下重新定向、變形（類似于橡皮筋），從而起到應力緩沖作用，大大提高了材料的高溫斷裂韌性。

如何利用氧化鋯最大限度提升陶瓷增韌效果？

1.添加合適劑量的穩定劑

相變增韌是利用氧化鋯增韌的主要機制，但在常溫下t-ZrO₂無法穩定存在，因此需要添加一定含量的穩定劑，使t-ZrO₂穩定性增強。不過需要注意的是，穩定劑的添加量并非越多越好，過量的引入反而會將降低四方氧化鋯的相變活性，抑制t→m相變，反而不利于韌性的提高。

目前來說，摻雜離子半徑低于四價的堿土和稀土金屬氧化物如氧化鈣、氧化鎂、氧化釔等作為穩定劑是獲得室溫下穩定的四方或立方氧化鋯十分有效的方法。其穩定機理是，將穩定劑的陽離子溶解在氧化鋯中，可以取代其中Zr⁴⁺的位置，形成置換型固溶體，阻礙四方型氧化鋯向單斜晶型的轉變，從而促進室溫立方或四方氧化鋯的穩定。

常見的摻雜陽離子

2.采用合適粒徑的氧化鋯

ZrO₂晶粒尺寸對相變產生重要影響。氧化鋯陶瓷的室溫組織中存在一種臨界相變尺寸，即當晶粒尺寸小于臨界相變尺寸時，其室溫相為t相。當四方氧化鋯燒結體的晶粒尺寸和相變臨界尺寸接近時，其增韌效果最佳。而晶粒尺寸遠小于臨界尺寸，四方氧化鋯穩定，在斷裂時四方相氧化鋯不容易變成單斜相，對相變無明顯作用；晶粒尺寸遠大于臨界尺寸時，在基體中的四方相很容易相變成單斜相，從而產生微裂紋，削弱相變增韌的作用。因此，可通過選取合適粒徑的氧化鋯作為增韌相或通過加入穩定劑來改變相變臨界尺寸，從而使大部分氧化鋯的晶粒尺寸控制在臨界尺寸范圍，獲得亞穩態的四方相氧化鋯。

3.增加可相變的四方氧化鋯含量

在兩相的復相陶瓷中，母相與t-ZrO₂的彈性模量和熱膨脹系數不一致，母體對氧化鋯晶粒的抑制產生了抵抗相變的應變能，在受到外力后，氧化鋯晶粒則會脫離母體的束縛引發相變。

一般來說，可相變的t-ZrO₂體積分數越大，材料的增韌效果越大，斷裂韌性越高，但由于t-ZrO₂相變存在一個最佳的尺寸范圍，即臨界晶粒尺寸，因此為了得到最佳的增韌效果，應盡可能地增加可相變的四方氧化鋯含量，以提高其體積分數。

4.提高氧化鋯顆粒在基質中分散性

在應力微裂紋增韌機制中，利用的是均勻分散又不互相連接的微裂紋來改變裂紋擴展路徑，由此分散主裂紋尖端的局部應力，達到提高材料韌性的效果，而為了產生均勻分散的微裂紋，t-ZrO₂在基體中分布應盡量均勻。

參考來源：

豆雨欣,羅紹華,張顯,等.氧化鋯陶瓷增韌機制及其粉體制備的研究進展[J].材料導報.

姚嘉煒. 氧化鋯陶瓷材料的制備新工藝與組織性能[D].華南理工大學.

李翔,張秀香,戴姣燕,等.粉體粒徑對氧化鋯陶瓷斷裂韌性的影響[J].機械工程材料.

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