穩定氧化鋯的存在是因為氧化鋯具有獨特的相變過程，因此需要做穩定處理以獲得我們所需要的產品品質。因此在說穩定氧化鋯之前，先簡單的說一下氧化鋯的相變是怎么回事。

本文框架：1、ZrO₂的相變過程及相變增韌→2、氧化鋯用相穩定劑的作用→3、常用的氧化鋯穩定劑類型及作用機理→4、常用的穩定氧化鋯的特點（Y₂O₃、MgO、CeO₂、CaO）→5、復合穩定劑的協同作用

1、ZrO₂的相變過程及相變增韌

“純ZrO₂從高溫冷卻到室溫的過程中將發生如下相變：立方相（c）→四方相（t）→單斜相（m），其中在1150℃會發生t→m相變，并伴隨著約5%的體積膨脹。

如果將ZrO₂的t→m想變點穩定到室溫，使其在承載時由應力誘發產生t→m相變，由于相變產生的體積效應而吸收大量的斷裂能，從而使材料表現出異常高的斷裂能，從而使材料表現出異常高的斷裂韌度，產生相變增韌，獲得高韌性、高耐磨性。”

2、氧化鋯用相穩定劑的作用

要實現氧化鋯的相變增韌，必須添加一定的穩定劑并在一定的燒成條件下，將高溫穩定相-四方亞穩定至室溫，獲得室溫下可相變的四方相，這就是穩定劑對氧化鋯的穩定作用。

“穩定至室溫的四方相是應力誘導相變的前提條件，該過程是氧化鋯陶瓷獲得優良性能的關鍵，一直是氧化鋯結構陶瓷材料研究的重要內容。”

下文將對目前穩定劑對氧化鋯穩定作用的一些研究做一個簡要的概述。

3、常用的氧化鋯穩定劑類型及作用機理

常見的ZrO₂穩定劑是稀土或堿土氧化物，而且還只有離子半徑與ZrO₂半徑相差不超過40%的氧化物才能作為氧化鋯的穩定劑。常用的穩定劑主要有Y₂O₃、MgO、CeO₂、CaO。

其機理通常可以認為是：Y³⁺，Mg²⁺、Ce⁴⁺、Ca²⁺等穩定劑的陽離子在ZrO₂中有著一定溶解度，可以置換出其中的Zr⁴⁺而形成置換型固溶體，阻礙四方晶型相單斜晶型轉變，從而使氧化鋯的相變點穩定降低到室溫，從而使t-ZrO₂亞穩定至室溫。通過不同的穩定劑添加量，可制備出部分穩定氧化鋯陶瓷（PSZ, 部分t-ZrO2亞穩至室溫），四方氧化鋯多晶體(TZP, t-ZrO₂全部穩定至室溫)及全穩定氧化鋯（FSZ，c-ZrO₂穩定至室溫，獲得c-ZrO₂單相材料）。

其中，PSZ和TZP中均含有可想變的四方相，是常見的相變增韌陶瓷。

4、常用的穩定氧化鋯的特點

不同的穩定劑單獨加入氧化鋯，可制取不同類型的穩定氧化鋯產品。各穩定劑穩定的實質大致相同，但獲取的ZrO₂產品的性能卻不盡相同，此外不同添加量的穩定劑添加至氧化鋯中制備的產品性能也不盡相同。

下文將對目前主要應用的穩定劑做分析。

a、Y-TZP：氧化釔穩定四方氧化鋯陶瓷

Y-TZP是TZP材料發展至今得到最多研究的TZP材料，這種材料力學性能較好，強度較高，具有良好的斷裂韌性，并且其集體中材料的晶粒尺寸細小而均勻，因此是得到較多關注。Y-TZP中穩定劑Y₂O₃的原子分數陶瓷在2%-3%之間。

與其他陶瓷相比，Y-TZP的突出優點是燒結溫度低，大約在1400-1500℃，材料燒結性能好，致密度高。該陶瓷具有優良的常溫力學性能，抗彎強度在1000MPa以上，斷裂韌性在10-15MPa.m^1/2。此外Y-TZP還能表現出良好的耐磨性、耐腐蝕性和生物相容性，以它為基體已開發出多種多元復合特種陶瓷材料并應用于實際。

但Y-TZP有一明顯缺點，在100-400℃長期使用時，材料表面相內部發生t→m相變，導致力學性能下降。其研究熱點在于防止其低溫老化的途徑。

高韌性耐磨 釔穩定氧化鋯研磨球（素材來源東方鋯業展品）

b、CSZ：鈣穩定氧化鋯

鈣穩定氧化鋯是研究的最早的氧化鋯陶瓷之一，鈣穩定氧化鋯(CSZ)陶瓷具有較高的離子電導率，而且還具有熱導率低、高溫化學穩定性和抗熱震性能優良、強度高等優點，在氧傳感器、氧泵和高溫發熱體方面廣泛應用。且CaO的成本也比較低，這使得進一步研究鈣穩定氧化鋯存在意義。但其燒結物相難以控制，致密度低、力學性能等綜合性能差于釔穩定氧化鋯。

c、Mg-PSZ:鎂部分穩定氧化鋯

Mg-PSZ與Y-TZP相比，其突出的優點是在相對較高的溫度下具有良好的力學性能和抗蠕變性能。屬于使用溫度低于800℃的中常溫結構陶瓷材料。

但MgO在ZrO2的立方區固溶體溫度高達1700℃，導致Mg-PSZ材料的燒結溫度很高（一般在1700℃到1800℃），且Mg-PSZ在高于1000℃時易產生晶像分解及四方相大量失穩，限制了其在高溫區的應用。其研究熱點在于降低燒結溫度，實現低溫燒結同時改善其在高溫下的的力學性能以擴大應用。

d、Ce-TZP:氧化鈰穩定氧化鋯

CeO₂是一種較理想的氧化鋯穩定劑，與Y₂O₃相比其優勢在于價格低廉，且在較寬的溫度里與氧化鋯形成四方固溶體。此外Ce-TZP的臨界相變晶粒尺寸比Y-TZP大，因此不需要超細粉末即可制得性能較好的氧化鋯陶瓷材料。

Ce-TZP具有較高的斷裂韌度和良好的抗低溫水熱老化性能，不足是其硬度與強度偏低。Ce-TZP的硬度與斷裂韌性對晶粒大小有著很強的依賴性，這種宏觀上的力學性能在微觀上表現為裂紋尖端的相變區域隨Ce-TZP晶粒的增大而增大。因此Ce-TZP的研究關鍵在于如何控制晶粒的長大。

5、復合穩定劑的協同作用

a、在Y-TZP中添加適量的CeO₂，可以利用Ce-TZP的抗低溫水熱腐蝕能力來抑制Y-TZP的低溫老化現象。

b、在Ce-TZP中加入少量的Y₂O₃，可以提高Ce-TZP的燒結密度、細化晶粒及提高硬度的作用。

c、在Mg-PSZ中添加Y₂O₃可降低材料的燒結溫度，細化晶粒且有效的改善其高溫穩定性。此外向Mg-PSZ中添加CeO₂進行復合穩定，可有效抑制PSZ的亞共析反應，可有效改善材料的抗高溫老化性能。

d、MgO或CaO可作為納米陶瓷材料Y-PSZ的良好助燒劑。提高低溫下t-ZrO₂的穩定性，抑制微晶的增長。

復合穩定劑的協同作用機理是復合穩定氧化鋯的研究熱點。

e、此外有學者研究了其他稀土氧化物穩定的氧化鋯陶瓷，比較有代表性的有Nb₂O₅、Ta₂O₅、La₂O₃等。

參考文獻：

1、穩定氧化鋯陶瓷的研究現狀，孫靜、黃傳真、劉含蓮等著

粉體圈 作者：小白