氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷的主要成分及增韧原理

氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷的主要成分及增韧原理

氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA陶瓷）是一种高性能陶瓷材料，通过在氧化铝基体中引入氧化锆等成分，显著提高了陶瓷的韧性，使其在保持高硬度的同时具备优异的抗冲击性能。这种材料在重磨损设备的防磨内衬中有着广泛的应用。本文将详细介绍ZTA陶瓷的主要成分、增韧原理及其性能特点。

一、ZTA陶瓷的主要成分

ZTA陶瓷的主要成分包括Al₂O₃、ZrO₂、Cr₂O₃、TiO₂以及ZnO。这些物质的晶格结构相似，在烧结过程中能够与Al₂O₃形成固熔体，起到细化晶粒、促进烧结和提高断裂韧性的作用。ZTA陶瓷的断裂韧性KIC≥5.5MPa•m1/2。

二、增韧原理

1. 应力诱导相变增韧：氧化锆在特定条件下会发生相变，从单斜晶系转变为亚稳态的四方晶型。这种相变在受到外应力时发生，导致体积膨胀，从而阻止裂纹扩展。

2. 微裂纹增韧：在ZTA陶瓷中，氧化锆的添加会导致基体中形成均匀分布的微裂纹。这些微裂纹增加了材料的断裂表面能，促使主裂纹分叉，阻碍裂纹的快速扩展，从而提高材料的韧性。

3. 弥散增韧：通过在氧化铝基体中添加四方氧化锆和立方氧化锆，可以形成曲折的裂纹扩展路径，增加材料的断裂韧性。

4. 压缩表面韧化：通过研磨处理，可以使表面层的氧化锆颗粒转变为单斜相，体积膨胀形成压缩表面层，从而抵消一部分外加拉应力，强化陶瓷。

5. 氧化锆晶粒的存在能固定和强化氧化铝陶瓷的晶界，减弱裂纹的影响。氧化锆的弹性模量和热膨胀系数与氧化铝不同，当氧化锆填充在氧化铝晶界处时，会受到晶界的径向压应力，从而提高陶瓷的断裂韧性。

三、性能

ZTA陶瓷的主要性能为耐磨损、抗冲击，具体性能指标如下：