氧化鋯陶瓷因具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)良的性能，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。常壓下純氧化鋯有三種晶型，由于晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積變化，造成開裂。加入適量穩(wěn)定劑，使氧化鋯從高溫冷卻至室溫過程中盡可能多的保留四方相，控制并提高對(duì)增韌有貢獻(xiàn)的四方到單斜相的有效轉(zhuǎn)變。

氧化釔穩(wěn)定氧化鋯由于其綜合性能最好，成為應(yīng)用最為廣泛的氧化鋯材料。有研究表明，Y₂O₃含量在2.5mol%時(shí)抗彎強(qiáng)度最高；在2mol%時(shí)斷裂韌性最大。本文主要以Y₂O₃含量在2~2.5mol%的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯為原料，制備出綜合性能較高的氧化鋯陶瓷，并探討成型和燒結(jié)工藝對(duì)氧化鋯陶瓷性能的影響，從而為生產(chǎn)提供理論依據(jù)，進(jìn)而生產(chǎn)出高性能的氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷。

實(shí)驗(yàn)：

將氧氯化鋯、硝酸釔、硝酸鋁按比例配置成溶液，氨水為沉淀劑，采用共沉淀法制備出釔穩(wěn)定氧化鋯粉體，加入一定比例的PVA，水為介質(zhì)，濕法球磨，烘干、造粒，得到可成型的釔穩(wěn)定氧化鋯粉(Y-ZrO₂)。在8.3MPa壓力下干壓，然后在不同壓力下冷等靜壓成型，將制得的生坯在不同溫度下燒結(jié)，并保溫不同時(shí)間，研究等靜壓壓力、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間對(duì)陶瓷密度、抗彎強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性的影響。具體試樣編號(hào)如表1所示。

用固體密度計(jì)測(cè)試試樣的體積密度；用抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)，采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試試樣的抗彎強(qiáng)度；用維氏硬度計(jì)，加載載荷196N，保壓時(shí)間為30s，測(cè)試試樣的硬度和斷裂韌性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

等靜壓壓力對(duì)陶瓷性能的影響

相對(duì)密度是衡量陶瓷材料燒結(jié)程度的一種表征手段，相對(duì)密度越大，說明材料的體積密度越接近理論密度；相反，相對(duì)密度越小，材料的體積密度越小，材料中氣孔等缺陷越多。不同等靜壓壓力對(duì)Y-ZrO₂陶瓷密度的影響如圖1所示。

其中Y-ZrO₂陶瓷的理論密度取6.10g/cm³計(jì)算。由圖1可知，等靜壓壓力為50MPa時(shí)，相對(duì)密度達(dá)到99.1%，隨等靜壓壓力的增大，相對(duì)密度增大，100MPa后趨于穩(wěn)定，達(dá)到99.8%以上。冷等靜壓可以提高坯體的致密性和均勻性，但達(dá)到一定壓力后，可流動(dòng)的顆粒減少，孔隙較少，繼續(xù)增大壓力意義不大。

氧化鋯陶瓷的抗彎強(qiáng)度主要與材料的致密度有關(guān)，兩者大致符合指數(shù)關(guān)系，即σ=σ₀exp(-bp)(p為氣孔率；σ為氣孔率為p時(shí)的強(qiáng)度；σ₀為氣孔率為0時(shí)的強(qiáng)度；b為常數(shù)）。材料密度增大，孔隙率減小，抗彎強(qiáng)度增大。不同等靜壓壓力對(duì)Y-ZrO₂陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響如圖2所示。

由圖2可知，隨等靜壓壓力的增大，Y-ZrO₂陶瓷的抗彎強(qiáng)度增大，等靜壓壓力100MPa以后抗彎強(qiáng)度均達(dá)到1000MPa以上，這與圖1結(jié)果是相吻合的。

不同等靜壓壓力對(duì)Y-ZrO₂陶瓷硬度和斷裂韌性的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨等靜壓壓力的增大，Y-ZrO₂硬度和斷裂韌性變化不大，硬度達(dá)到12GPa以上，斷裂韌性達(dá)到14.5MPa.m^1/2以上。綜合考慮，等靜壓壓力為100MPa以上時(shí)Y-ZrO₂陶瓷的綜合性能優(yōu)良，在200MPa時(shí)最佳。

燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷性能的影響

燒結(jié)溫度的高低直接影響顆粒尺寸、致密性等，其對(duì)陶瓷致密性的影響用陶瓷試樣的相對(duì)密度變化表示。燒結(jié)溫度對(duì)Y-ZrO₂陶瓷密度的影響如圖4所示。

由圖4可知，1300℃燒結(jié)后，相對(duì)密度偏低，低于98%。隨著燒結(jié)溫度的升高，相對(duì)密度增大，1350℃后達(dá)到99.5%以上，并且在1450℃時(shí)達(dá)到了100%的完全致密。但燒結(jié)溫度在1450℃以后，相對(duì)密度有所下降，這是因?yàn)樯倭繂涡毕嗟某霈F(xiàn)以及氧化鋯晶粒尺寸的異常增大導(dǎo)致的。

燒結(jié)溫度對(duì)Y-ZrO₂陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響如圖5所示。

由圖5可知，氧化鋯陶瓷抗彎強(qiáng)度的變化規(guī)律與相對(duì)密度相同。在 1300℃燒結(jié)時(shí)，顆粒未充分接觸，粘結(jié)強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致材料的抗彎強(qiáng)度偏低；隨著燒結(jié)溫度的升高，顆粒進(jìn)一步擴(kuò)大移動(dòng)，充分接觸，氣孔減少，材料的抗彎強(qiáng)度增強(qiáng)，在1450℃時(shí)達(dá)到最大值。但進(jìn)一步升高溫度，由于材料的相對(duì)密度有所下降，導(dǎo)致氣孔增多，材料的有效承載面積減小，抗彎強(qiáng)度下降。

燒結(jié)溫度對(duì)Y-ZrO₂陶瓷硬度和斷裂韌性的影響如圖6所示。

由圖6可知，在1300℃燒結(jié)時(shí)，氧化鋯陶瓷的硬度和斷裂韌性均偏低。隨著燒結(jié)溫度的升高，1350℃以后，材料的硬度變化趨于平穩(wěn)，達(dá)到 12GPa以上。斷裂韌性隨著燒結(jié)溫度的

升高而增大，在1450℃達(dá)到最大為15.4 MPa.m^1/2，隨后有所下降。綜合考慮，Y-ZrO₂陶瓷的綜合性能在1450℃燒結(jié)時(shí)最佳。

保溫時(shí)間對(duì)陶瓷性能的影響

保溫時(shí)間短，陶瓷晶界不能充分的擴(kuò)散以及晶粒來(lái)不及再結(jié)晶，導(dǎo)致陶瓷的性能偏低；但是保溫時(shí)間過長(zhǎng)，晶粒異常長(zhǎng)大或者二次重結(jié)晶，同樣不利于陶瓷產(chǎn)品的性能。因此適當(dāng)?shù)谋�溫時(shí)間對(duì)陶瓷產(chǎn)品的性能也是至關(guān)重要的。保溫時(shí)間對(duì)Y-ZrO₂陶瓷相對(duì)密度的影響如圖7所示。

由圖7可知，保溫時(shí)間較短時(shí)，陶瓷相對(duì)密度低于98%，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，相對(duì)密度先增大后略有下降。這是因?yàn)楸�溫時(shí)間短，顆粒間擴(kuò)散時(shí)間不夠，使得氣孔不能完全排出而留在晶粒間，導(dǎo)致陶瓷致密度不夠；保溫時(shí)間延長(zhǎng)，氣孔減少，陶瓷致密度增加；但保溫時(shí)間過長(zhǎng)，晶粒異常長(zhǎng)大，晶粒生長(zhǎng)引起臨近氣孔聚集，導(dǎo)致陶瓷相對(duì)密度有所下降。

保溫時(shí)間對(duì)Y-ZrO₂陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響如圖8所示。

由圖8可知，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，氣孔減少，氧化鋯陶瓷的抗彎強(qiáng)度增大，在1.5h-2h達(dá)到最大；此時(shí)陶瓷達(dá)到致密化，繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，晶粒長(zhǎng)大，由Hall-petch公式可知，抗彎強(qiáng)度與晶粒大小成反比關(guān)系，因此2h后抗彎強(qiáng)度下降。

保溫時(shí)間對(duì)Y-ZrO₂陶瓷硬度和斷裂韌性的影響如圖9所示。

由圖9可知，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，氧化鋯陶瓷硬度變化不大，達(dá)到 12GPa以上。斷裂韌性基本是先減小后增大，這與陶瓷抗彎強(qiáng)度變化一致。因?yàn)橐话銇?lái)說，斷裂韌性是隨著抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小的

氧化鋯陶瓷件在結(jié)構(gòu)陶瓷方面，由于氧化鋯陶瓷件具有高韌性、高抗彎強(qiáng)度和高耐磨性，優(yōu)異的隔熱性能，熱膨脹系數(shù)接近于鋼等優(yōu)點(diǎn)，因此氧化鋯陶瓷件被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。主要有:Y-TZP磨球、分散和研磨介質(zhì)、噴嘴、球閥球座、氧化鋯模具、微型風(fēng)扇軸心、光纖插針、光纖套筒、拉絲模和切割工具、耐磨刀具、表殼及表帶、高爾夫球的輕型擊球棒及其它室溫耐磨零器件等。