穩(wěn)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(wěn)定處理以獲得我們所需要的產(chǎn)品品質(zhì)。因此在說穩(wěn)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(wěn)定劑的作用→3、常用的氧化鋯穩(wěn)定劑類型及作用機理→4、常用的穩(wěn)定氧化鋯的特點（Y₂O₃、MgO、CeO₂、CaO）→5、復合穩(wěn)定劑的協(xié)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(fā)生如下相變：立方相（c）→四方相（t）→單斜相（m），其中在1150℃會發(fā)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(wěn)定到室溫，使其在承載時由應力誘發(fā)產(chǎn)生t→m相變，由于相變產(chǎn)生的體積效應而吸收大量的斷裂能，從而使材料表現(xiàn)出異常高的斷裂能，從而使材料表現(xiàn)出異常高的斷裂韌度，產(chǎn)生相變增韌，獲得高韌性、高耐磨性?！?/span>

2、氧化鋯用相穩(wěn)定劑的作用

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

“穩(wěn)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(yōu)良性能的關鍵，一直是氧化鋯結(jié)構陶瓷材料研究的重要內(nèi)容?！?/span>

下文將對目前穩(wěn)定劑對氧化鋯穩(wěn)定作用的一些研究做一個簡要的概述。

3、常用的氧化鋯穩(wěn)定劑類型及作用機理

常見的ZrO₂穩(wěn)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(wěn)定劑。常用的穩(wěn)定劑主要有Y₂O₃、MgO、CeO₂、CaO。

其機理通?？梢哉J為是：Y³⁺，Mg²⁺、Ce⁴⁺、Ca²⁺等穩(wěn)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(zhuǎn)變，從而使氧化鋯的相變點穩(wěn)定降低到室溫，從而使t-ZrO₂亞穩(wěn)定至室溫。通過不同的穩(wěn)定劑添加量，可制備出部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷（PSZ, 部分t-ZrO2亞穩(wěn)至室溫），四方氧化鋯多晶體(TZP, t-ZrO₂全部穩(wěn)定至室溫)及全穩(wěn)定氧化鋯（FSZ，c-ZrO₂穩(wěn)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(wěn)定氧化鋯的特點

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

下文將對目前主要應用的穩(wěn)定劑做分析。

a、Y-TZP：氧化釔穩(wěn)定四方氧化鋯陶瓷

Y-TZP是TZP材料發(fā)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(wěn)定劑Y₂O₃的原子分數(shù)陶瓷在2%-3%之間。

與其他陶瓷相比，Y-TZP的突出優(yōu)點是燒結(jié)溫度低，大約在1400-1500℃，材料燒結(jié)性能好，致密度高。該陶瓷具有優(yōu)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(xiàn)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(fā)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(nèi)部發(fā)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(wěn)定氧化鋯研磨球（素材來源東方鋯業(yè)展品）

b、CSZ：鈣穩(wěn)定氧化鋯

鈣穩(wěn)定氧化鋯是研究的最早的氧化鋯陶瓷之一，鈣穩(wěn)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(wěn)定性和抗熱震性能優(yōu)良、強度高等優(yōu)點，在氧傳感器、氧泵和高溫發(fā)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(wěn)定氧化鋯存在意義。但其燒結(jié)物相難以控制，致密度低、力學性能等綜合性能差于釔穩(wěn)定氧化鋯。

c、Mg-PSZ:鎂部分穩(wěn)定氧化鋯

Mg-PSZ與Y-TZP相比，其突出的優(yōu)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(jié)構陶瓷材料。

但MgO在ZrO2的立方區(qū)固溶體溫度高達1700℃，導致Mg-PSZ材料的燒結(jié)溫度很高（一般在1700℃到1800℃），且Mg-PSZ在高于1000℃時易產(chǎn)生晶像分解及四方相大量失穩(wěn)，限制了其在高溫區(qū)的應用。其研究熱點在于降低燒結(jié)溫度，實現(xiàn)低溫燒結(jié)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(wěn)定氧化鋯

CeO₂是一種較理想的氧化鋯穩(wěn)定劑，與Y₂O₃相比其優(yōu)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(xiàn)為裂紋尖端的相變區(qū)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(wěn)定劑的協(xié)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(xiàn)象。

b、在Ce-TZP中加入少量的Y₂O₃，可以提高Ce-TZP的燒結(jié)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(jié)溫度，細化晶粒且有效的改善其高溫穩(wěn)定性。此外向Mg-PSZ中添加CeO₂進行復合穩(wěn)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(wěn)定性，抑制微晶的增長。

復合穩(wěn)定劑的協(xié)同作用機理是復合穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定氧化鋯陶瓷的研究現(xiàn)狀，孫靜、黃傳真、劉含蓮等著

粉體圈 作者：小白