氧化鋁陶瓷因其優良的力學性能、電性能、化學穩定性，是目前應用廣泛的一種陶瓷材料。但是其具有脆性較大、斷裂韌性較差的特點，斷裂韌性一般為2.5~4.5MPa·m1/2，嚴重限制了其在更廣泛領域的應用，由此，提升氧化鋁陶瓷的斷裂韌性成為行業內的研究重點之一。而氧化鋯增韌氧化鋁（zirconia toughened alumina，ZTA）陶瓷結合了氧化鋁的高強度和硬度與氧化鋯的韌性，成為備受關注的先進陶瓷材料。

一、氧化鋁陶瓷的增韌方法

目前，提高氧化鋁陶瓷斷裂韌性有許多途徑，主要可以分成以下三種：

1）引入第二相

在氧化鋁陶瓷的基體中引入第二相，使其填充到氧化鋁的晶界處，從而有利于阻斷裂紋的傳播，進而提高陶瓷的斷裂韌性。

2）加入Al2O3籽晶

因為籽晶的加入，能促使晶粒的異向生長，異向生長會形成片狀以及柱狀的晶粒，這種晶粒類似于晶須，從而對陶瓷有裂紋偏移、晶粒拔出、連接增韌的作用。

3）形成缺陷分布

通過粉體的合成過程或陶瓷的制備過程中形成缺陷分布，從而改善氧化鋁陶瓷的斷裂韌性。

從整體上來看，應用價值最高的方式為氧化鋯增韌，將氧化鋯(ZrO2)引入到Al2O3陶瓷中,可制得氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷(ZTA)。ZrO2在Al2O3陶瓷中能起到相變增韌和微裂紋增韌的作用，對Al2O3陶瓷進行增韌補強，從而改善Al2O3陶瓷的韌性。ZTA陶瓷熔點高、硬度高，并且耐酸堿腐蝕，同時具有韌性較強的優勢，是結構陶瓷中具有較大應用潛力的材料之一。

二、ZTA陶瓷的增韌機理

氧化鋯陶瓷是一種同樣具有高硬度、高熔點和化學穩定性的金屬氧化物陶瓷，常溫下純氧化鋯以Zm單斜相存在，可隨溫度分別升高至1170℃和2376℃時轉變為Zt四方相和Zc立方相。Zt四方相氧化鋯會在應力誘導作用下轉變為Zm單斜相，并伴隨約5%的體積膨脹。

圖 氧化鋯晶體結構及其相變，來源網絡

在氧化鋁基體中摻雜一定比例的氧化鋯，可以通過抑制裂紋沿晶擴展，抑制氧化鋁燒結晶粒長大和氧化鋯相變增韌的作用有效提高材料的韌性。ZTA陶瓷的增韌機制一般認為有應力誘導相變、微裂紋增韌、彌散增韌、壓縮表面韌化等，其韌性提高是幾種增韌方式的共同作用結果。

1）應力誘導相變

應力誘導相變增韌是利用應力誘導四方ZrO2馬氏體相變來改變陶瓷材料的韌性。ZrO2在室溫下為單斜晶系，當溫度達到1170℃時，由單斜晶系轉化為亞穩態的四方晶型，在應力作用下，亞穩態的四方晶型ZrO2可誘發相變重新轉化為單斜晶型。當ZrO2顆粒的尺寸足夠小，在室溫時，ZrO2仍保持四方相，當受到外應力時，裂紋尖端前部區域的四方ZrO2發生相變，吸收能力，引起體積膨脹，阻止裂紋擴展。

2）微裂紋增韌

在一定條件下，相變引發體積膨脹在基體中引起均勻分散又不互相連接的微裂紋，增加材料的斷裂表面能，吸收主裂紋擴展的能力，達到增加斷裂韌性的效果。

3）彌散增韌

不改變裂紋尺寸的情況下，添加四方氧化鋯和立方氧化鋯的氧化鋁，使得裂紋擴展路徑曲折、分叉，吸收更多能量，斷裂韌性有所提高。

4）壓縮表面韌化

研磨相變韌化ZrO2的表面，可以使表面層的四方相ZrO2顆粒轉變為單斜相，并產生體積膨脹，形成壓縮表面層，抵消一部分外加拉應力，從而強化陶瓷。

三、ZTA陶瓷的應用領域

1）醫療領域

①牙科

牙科陶瓷具有優良的生物相容性、力學性能、較佳的美學修復效果，復相陶瓷相比于單相陶瓷具有較高的韌性、硬度、抗腐蝕性和耐高溫等特點，其中以ZTA復相陶瓷研究最為廣泛。臨床研究顯示，ZTA既能顯現出氧化鋁的優點，又能顯現氧化鋯的高強度、高韌性的特性，在牙科中應用價值理想，被應用于牙科植入物、正畸托槽等。

圖 ZTA牙科種植體，來源：CeramTec

②陶瓷人工關節

人工關節置換術,是治療晚期關節炎、關節功能喪失等關節類疾病的重要手段之一。ZTA陶瓷,由于其硬度高,生物相容性好等優點已經被應用于人工髖關節的制造。ZTA陶瓷人工關節耐腐蝕能力強,化學穩定性好，顯著降低了骨溶解、假體松動以及感染等并發癥的發生率。

圖 髖關節部件陶瓷材料的演變，來源：CeramTec

2003年，CeramTec 推出第四代用于關節置換的生物陶瓷BIOLOX?delta，采用氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）復合材料，自此粉陶開始興起。

2）半導體

①半導體器件封裝載板

ZTA 基板與普通 Al2O3 基板相比具有良好的彎曲強度，主要用于長壽命和高可靠性的應用。由于ZTA陶瓷具有優異的散熱性、絕緣性、抗熱震性和機械強度，作為半導體器件封裝載板被廣泛應用于電動汽車IGBT、LED等領域。

圖 ZTA基板，來源：艾森達

②陶瓷劈刀

圖 陶瓷劈刀，來源：SPT

3）切削工具

高速切削要求刀具材料在高溫時能夠依然保持良好的力學性能、化學穩定性以及抗粘接性能。先進陶瓷材料在高溫時仍然能保持穩定的力學性能，滿足高速切削的要求。氧化鋯增韌氧化鋁是制作切割工具的理想材料，結合了氧化鋯的抗彎性和氧化鋁的剛性兩大優點。ZTA陶瓷刀具在切削時側面磨損小，適用于耐磨、耐腐蝕、高溫穩定性和優異機械強度的應用場合，在切削產生的高溫下可保持良好的穩定性，可以實現對鑄鐵和合金的加工。

圖 ZTA陶瓷切削刀具，來源：NANOE

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原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：一文了解氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）及其應用