氧化鋯穩(wěn)定劑類型及其穩(wěn)定特點(diǎn)

1、'.氧化鋯穩(wěn)定劑類型及其穩(wěn)定特點(diǎn)穩(wěn)定氧化鋯的存在是因?yàn)檠趸喚哂歇?dú)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(jī)理 4、常用的穩(wěn)定氧化鋯的特點(diǎn)（ Y 2O3、MgO、CeO2、CaO）5、復(fù)合穩(wěn)定劑的協(xié)同作用1、ZrO 2 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(huì)發(fā)生 t m相變，并伴隨著約 5%的體積膨脹

2、。如果將 ZrO2 的 t m想變點(diǎn)穩(wěn)定到室溫，使其在承載時(shí)由應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生 t m相變，由于相變產(chǎn)生的體積效應(yīng)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?！?、氧化鋯用相穩(wěn)定劑的作用要實(shí)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?！胺€(wěn)定至室溫的四方相是應(yīng)力誘導(dǎo)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(guān)鍵，一直是氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷材料研究的重要內(nèi)容。 ”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(gè)

3、簡要的概述。3、常用的氧化鋯穩(wěn)定劑類型及作用機(jī)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Y 2O3、 MgO、 CeO2、 CaO。3+2+4+2+其機(jī)理通常可以認(rèn)為是：Y，Mg、Ce 、Ca 等穩(wěn)定劑的陽離子在ZrO 2 中有著一定溶4+解度，可以置換出其中的Zr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(diǎn)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

4、鋯多晶體(TZP, t-ZrO 2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(diǎn)不同的穩(wěn)定劑單獨(dú)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(shí)質(zhì)大致相同，但獲取的 ZrO 2 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(yīng)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(xué)性能較好，強(qiáng)度較高

5、，具有良好的斷裂韌性，并且其集體中材料的晶粒尺寸細(xì)小而均勻，因此是得到較多關(guān)注。;.'.Y-TZP 中穩(wěn)定劑 Y 2O3 的原子分?jǐn)?shù)陶瓷在2%-3%之間。與其他陶瓷相比， Y-TZP 的突出優(yōu)點(diǎn)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(xué)性能，抗彎強(qiáng)度在 1000MPa 以上，斷裂韌性在 10 -15MPa.m1/2。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(fù)合特種陶瓷材料并應(yīng)用于實(shí)際。但 Y-TZP 有一明顯缺點(diǎn)，在 100-400長期使用時(shí)，材料表面相內(nèi)部發(fā)生 t m相變，導(dǎo)致力學(xué)性能下

6、降。其研究熱點(diǎn)在于防止其低溫老化的途徑。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(dǎo)率，而且還具有熱導(dǎo)率低、高溫化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性能優(yōu)良、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在氧傳感器、氧泵和高溫發(fā)熱體方面廣泛應(yīng)用。且 CaO 的成本也比較低，這使得進(jìn)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(xué)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(diǎn)是在相對較高的溫度下具有良好的力學(xué)性能和抗蠕變性能。屬于使用溫度低于 800的中常溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料。但 MgO 在 ZrO

7、2 的立方區(qū)固溶體溫度高達(dá) 1700，導(dǎo)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(shí)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(yīng)用。 其研究熱點(diǎn)在于降低燒結(jié)溫度， 實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)同時(shí)改善其在高溫下的的力學(xué)性能以擴(kuò)大應(yīng)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 Y 2O3 相比其優(yōu)勢在于價(jià)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(xì)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

8、水熱老化性能，不足是其硬度與強(qiáng)度偏低。 C e-TZP 的硬度與斷裂韌性對晶粒大小有著很強(qiáng)的依賴性， 這種宏觀上的力學(xué)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(guān)鍵在于如何控制晶粒的長大。5、復(fù)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 Y 2O3，可以提高 Ce-TZP 的燒結(jié)密度、細(xì)化晶粒及提高硬度的作用。c、在 Mg-PSZ 中添加 Y 2O3 可降低材料的燒結(jié)溫度， 細(xì)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(jìn)行復(fù)合穩(wěn)定，可有效抑制 PSZ 的亞共析反應(yīng)，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-ZrO 2 的穩(wěn)定性，抑