详解氧化锆陶瓷的相变特性

详解氧化锆陶瓷的相变特性

氧化锆陶瓷因其独特的相变特性而在材料科学领域备受关注。本文将详细介绍氧化锆陶瓷的马氏体相变类型及其特征，并探讨这些特性在改善材料性能方面的应用。

氧化锆陶瓷中较典型的马氏体相变为ZrO中正方相→单斜相（t→m）转变。它是通过无扩散剪切变形实现的，因此被认为属于马氏体相变类型的固态相变。

氧化锆陶瓷板沉头孔

它具有以下特征：

1. 无热相变，在给定温度下，相变与时间无关。
2. 热潜现象。相相变发生在一定范围内，单斜相转变为四方相为1170℃，而四方相转变为单斜相温度在850～1000℃范围内，相变滞后约200℃。
3. 相变伴随3％～5％的体积效应和相当的剪切形变。由tZrO2相相变成m－ZrO2体积膨胀，反之收缩。
4. 相变无扩散反应发生。由于相变是瞬间完成成，快于裂纹的速度，这样可以使用相变阻止裂纹扩展，提高陶瓷材料的韧性，相变的体积效应可以来缓解热应力，改善材料的抗热震性。
5. 颗粒尺寸效应。处于一定状态下的颗粒小于某一临界尺寸时，单斜相可保留至室温而不相变。
6. 添加剂可以抑制相变。在氧化锆中加人MgO、CaO等可以使氧化锆以单斜或立方形式存在。
7. 相变受应力状态约東影响。处于压应力状态时，t→m相变将受到抑制，反之则有利于相变。

一定温度范围内，氧化锆陶瓷的相变体积效应与热膨胀效应相反，因而可以改变氧化锆的固溶组成、受力状态和颗粒粒径及分布，调整相变量和相变温度范围，来改善材料的热膨胀行为。例如，虽不能由纯单斜相氧化锆制成可用陶瓷，但可以利用其热膨胀的各向异性来改善材料的初性，提高材料的抗热震性能，如对于耐火材料的抗热屣往往依赖于大量气孔的存在。

氧化铝陶瓷零件

气孔的作用在于：

1. 容纳一定的膨胀变形，缓解热应力；
2. 气孔能在主裂纹尖端区域形成局部的微裂纹网，导致的弹性应变能局部减小，保证了裂纹稳定扩展，从而提高材料的抗热震性。

然而气孔的存在往往是不需要的，因而 Garvie等9）提出了用单斜ZrO2多晶设计先进耐火材料的思路和方法。它是以单斜ZrO2多晶取代气孔并起到气孔的作用，所采用的单斜多晶ZrO2（MPZ）平均尺寸13am，其中包含有粒径为1～2m的微晶，把它们均匀分布在任何情性脆体基体中，制成了接近理论密度的复合材料，它具有稳定的裂纹扩展特征，使材料的抗热震性能大大地提高。

Garvie认为材料性能的改善与氧化锆的相变无关，而是由单斜ZrO2颗粒的各向异性产生热应力在基体中形成潜在的微裂纹所致。越世柯等（2提出了利用氧化锆的相变改善耐火材料的设想。它是利用和控制氧化锆的相变从宏观上改善材料的热膨胀行为，又利用相变体积效应在粉料内形成适量的微裂纹，提高材料的抗热震性性。他们研究了CaO稳定氧化皓材料的相组成和热膨胀行为一通过调整相的种类使相变对温度的分布关系出现了变化，致使在降温过程中相变发生在很宽的温度范围内，在800～400＂℃范围内出现一个“平台”，热膨胀系数接近零，这种情形对材料的抗热震性极为有利。利用它们的工艺条件制备的零件进行抗热震模拟试验，发现零件完好无裂纹，而未调整的出现径向裂纹或层裂。