對于陶瓷材料而言，其晶型結(jié)構(gòu)與其物化性質(zhì)及應(yīng)用有著很大關(guān)系。因此，本文將為大家簡單剖析氧化鋯的晶型結(jié)構(gòu)。

1、氧化鋯晶型有三種

純的氧化鋯在常壓下有三種晶型：從低溫到高溫依次為單斜、四方和立方。其密度分別為：單斜型5.65g/cm³，四方型6.10g/cm³，立方型6.27g/cm³。

具體溫度、密度與晶型的關(guān)系見下圖1。可見溫度越高，密度越大。因此，在同樣質(zhì)量下，溫度越低，體積越大。

圖1氧化鋯晶型及轉(zhuǎn)換溫度與相應(yīng)密度

下圖為氧化鋯的三種晶型圖示，從左到右分別是：a立方晶；b四方晶；c單斜晶。具體晶格常數(shù)詳見本文下方備注參考文獻(xiàn)。

圖2　氧化鋯的三種晶型及相應(yīng)的空間群

2、氧化鋯的穩(wěn)定化處理

當(dāng)ZrO₂從高溫冷卻到室溫要經(jīng)歷c→t→m的同質(zhì)異構(gòu)轉(zhuǎn)變，其中由t-m相變過程要產(chǎn)生約7%的體積膨脹，加熱至1170℃時m-ZrO₂轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>t-ZrO₂，這種轉(zhuǎn)變過程則發(fā)生體積收縮，這種t相和m相之間的相變稱為ZrO₂的馬氏體相變，馬氏體相變時發(fā)生的體積變化，使得ZrO₂的增韌效果得以實(shí)現(xiàn)。氧化鋯的熱膨脹曲線及差熱曲線見下圖3所示。

圖3 ZrO₂的熱膨脹曲線及ZrO₂的差熱曲線

在正常壓力溫度之下，二氧化鋯的穩(wěn)定晶體為單斜晶體，而ZrO₂由單斜相向四方相的晶型的轉(zhuǎn)變有7%-9%的體積變化，所以未經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO₂粉就無法制得穩(wěn)定性好的陶瓷制品。

因此通常需要對ZrO₂粉進(jìn)行穩(wěn)定化以制備韌性更好的氧化鋯陶瓷制品，所謂穩(wěn)定化處理，就是在 ZrO₂中加入Y²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Ce⁴⁺等離子半徑與Zr⁴⁺離子半徑相差小于12%的陽離子（通常以相應(yīng)的氧化物形式加入）。這些陽離子可以置換鋯離子形成置換固溶體，從而阻止晶型的轉(zhuǎn)變。穩(wěn)定劑加入量見下表1。

表一 常用氧化鋯穩(wěn)定劑及添加量

穩(wěn)定劑可以單獨(dú)加入，也可以混合加入。工藝可以采用電熔合成法、高溫?zé)Y(jié)合成法或其它方法。

3、ZTC陶瓷的三種典型組織

ZTC是Zirconia Toughening Ceramics（氧化鋯增韌陶瓷）的縮寫。ZTC陶瓷有三種典型組織：①c-ZrO₂相基體上彌散分布著t-ZrO₂的雙組織，即部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）；②細(xì)小的晶粒完全是t-ZrO₂相，即TZP；③t-ZrO₂相作為增韌相分散到其它陶瓷基體，如ZTA。

其中TZP是ZTC材料中室溫力學(xué)性能最高的一種材料，其力學(xué)性能見下表2所述。TZP中又以Y₂O₃作為穩(wěn)定劑的Y-TZP應(yīng)用最為廣泛。穩(wěn)定劑Y₂O₃的含量在1.75%-3.5% （摩爾分?jǐn)?shù)）范圍變化。典型的TZP材料微觀結(jié)構(gòu)為粒徑為0.5-2μm的等軸晶組成的均勻組織。當(dāng)原料中含有異類組分（SiO₂）時，在界面上往往存在由異類組分和Y₂O₃組成的玻璃相。

粉體圈 作者：小白

參考資料：

1、先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料，尹衍升等著

2、ZrO2陶瓷結(jié)構(gòu)及增韌機(jī)理研究，武麗華等著

備注：

馬氏體定義：馬氏體是原子經(jīng)無需擴(kuò)散的集體協(xié)同位移的晶格改組過程，得到的具有嚴(yán)格晶體學(xué)關(guān)系和慣習(xí)面的，形成相中伴生極高密度位錯，或層錯或精細(xì)孿晶等晶體缺陷的整合組織。

馬氏體相變：原子經(jīng)無需擴(kuò)散的集體協(xié)同位移，晶型晶格改組，得到高密度位錯等亞結(jié)構(gòu)的馬氏體組織，這種形核-長大的一級相變，成為馬氏體相變。