氧化鋁陶瓷因其優(yōu)良的力學(xué)性能、電性能、化學(xué)穩(wěn)定性，是目前應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用，由此，提升氧化鋁陶瓷的斷裂韌性成為行業(yè)內(nèi)的研究重點之一。而氧化鋯增韌氧化鋁（zirconia toughened alumina，ZTA）陶瓷結(jié)合了氧化鋁的高強度和硬度與氧化鋯的韌性，成為備受關(guān)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(yīng)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(yōu)勢，是結(jié)構(gòu)陶瓷中具有較大應(yīng)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(xué)穩(wěn)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(zhuǎn)變?yōu)閆t四方相和Zc立方相。Zt四方相氧化鋯會在應(yīng)力誘導(dǎo)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閆m單斜相，并伴隨約5%的體積膨脹。

圖 氧化鋯晶體結(jié)構(gòu)及其相變，來源網(wǎng)絡(luò)

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(jié)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(yīng)力誘導(dǎo)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(jié)果。

1）應(yīng)力誘導(dǎo)相變

應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌是利用應(yīng)力誘導(dǎo)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(dāng)溫度達到1170℃時，由單斜晶系轉(zhuǎn)化為亞穩(wěn)態(tài)的四方晶型，在應(yīng)力作用下，亞穩(wěn)態(tài)的四方晶型ZrO2可誘發(fā)相變重新轉(zhuǎn)化為單斜晶型。當(dāng)ZrO2顆粒的尺寸足夠小，在室溫時，ZrO2仍保持四方相，當(dāng)受到外應(yīng)力時，裂紋尖端前部區(qū)域的四方ZrO2發(fā)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(fā)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(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵a(chǎn)生體積膨脹，形成壓縮表面層，抵消一部分外加拉應(yīng)力，從而強化陶瓷。

三、ZTA陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域

1）醫(yī)療領(lǐng)域

①牙科

牙科陶瓷具有優(yōu)良的生物相容性、力學(xué)性能、較佳的美學(xué)修復(fù)效果，復(fù)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(fù)相陶瓷研究最為廣泛。臨床研究顯示，ZTA既能顯現(xiàn)出氧化鋁的優(yōu)點，又能顯現(xiàn)氧化鋯的高強度、高韌性的特性，在牙科中應(yīng)用價值理想，被應(yīng)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(guān)節(jié)

人工關(guān)節(jié)置換術(shù),是治療晚期關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)功能喪失等關(guān)節(jié)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(yōu)點已經(jīng)被應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)的制造。ZTA陶瓷人工關(guān)節(jié)耐腐蝕能力強,化學(xué)穩(wěn)定性好，顯著降低了骨溶解、假體松動以及感染等并發(fā)癥的發(fā)生率。

圖 髖關(guān)節(jié)部件陶瓷材料的演變，來源：CeramTec

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

2）半導(dǎo)體

①半導(dǎo)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(yīng)用。由于ZTA陶瓷具有優(yōu)異的散熱性、絕緣性、抗熱震性和機械強度，作為半導(dǎo)體器件封裝載板被廣泛應(yīng)用于電動汽車IGBT、LED等領(lǐng)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(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)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(wěn)定的力學(xué)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(jié)合了氧化鋯的抗彎性和氧化鋁的剛性兩大優(yōu)點。ZTA陶瓷刀具在切削時側(cè)面磨損小，適用于耐磨、耐腐蝕、高溫穩(wěn)定性和優(yōu)異機械強度的應(yīng)用場合，在切削產(chǎn)生的高溫下可保持良好的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)對鑄鐵和合金的加工。

圖 ZTA陶瓷切削刀具，來源：NANOE

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