對于陶瓷材料而言，其晶型結構與其物化性質及應用有著很大關系。因此，本文將為大家簡單剖析氧化鋯的晶型結構。

    1氧化鋯晶型有三種

    純的氧化鋯在常壓下有三種晶型：從低溫到高溫依次為單斜、四方和立方。其密度分別為：單斜型5.65g/cm3，四方型6.10g/cm3，立方型6.27g/cm3。具體溫度、密度與晶型的關系見下圖1。可見溫度越高，密度越大。因此，在同樣質量下，溫度越低，體積越大。

    圖1氧化鋯晶型及轉換溫度與相應密度

    下圖為氧化鋯的三種晶型圖示，從左到右分別是：a立方晶；b四方晶；c單斜晶。具體晶格常數詳見本文下方備注參考文獻。

    圖2　氧化鋯的三種晶型及相應的空間群

    2氧化鋯的穩定化處理

    當ZrO2從高溫冷卻到室溫要經歷c→t→m的同質異構轉變，其中由t-m相變過程要產生約7%的體積膨脹，加熱至1170℃時m-ZrO2轉變為t-ZrO2，這種轉變過程則發生體積收縮，這種t相和m相之間的相變稱為ZrO2的馬氏體相變，馬氏體相變時發生的體積變化，使得ZrO2的增韌效果得以實現。

    氧化鋯的熱膨脹曲線及差熱曲線見下圖3所示。

    圖3 ZrO2的熱膨脹曲線及ZrO2的差熱曲線

    在正常壓力溫度之下，二氧化鋯的穩定晶體為單斜晶體，而ZrO2由單斜相向四方相的晶型的轉變有7%-9%的體積變化，所以未經穩定化處理的ZrO2粉就無法制得穩定性好的陶瓷制品。

    因此通常需要對ZrO2粉進行穩定化以制備韌性更好的氧化鋯陶瓷制品，所謂穩定化處理，就是在 ZrO2中加入Y2+、Ca2+、Mg2+、Ce4+等離子半徑與Zr4+離子半徑相差小于12%的陽離子（通常以相應的氧化物形式加入）。這些陽離子可以置換鋯離子形成置換固溶體，從而阻止晶型的轉變。穩定劑加入量見下表1

    穩定劑可以單獨加入，也可以混合加入。工藝可以采用電熔合成法、高溫燒結合成法或其它方法。

    3 ZTC陶瓷的三種典型組織

    ZTC 是 Zirconia Toughening Ceramics（氧化鋯增韌陶瓷）的縮寫。ZTC陶瓷有三種典型組織：

    ①c-ZrO2相基體上彌散分布著t-ZrO2的雙組織，即部分穩定氧化鋯（PSZ）；②細小的晶粒完全是t-ZrO2相，即TZP；③t-ZrO2相作為增韌相分散到其它陶瓷基體，如ZTA。

    其中TZP是ZTC材料中室溫力學性能最高的一種材料，其力學性能見下表2所述。TZP中又以Y2O3作為穩定劑的Y-TZP應用最為廣泛。穩定劑Y2O3的含量在1.75%-3.5% （摩爾分數）范圍變化。

    典型的TZP材料微觀結構為粒徑為0.5-2μm的等軸晶組成的均勻組織。當原料中含有異類組分（SiO2）時，在界面上往往存在由異類組分和Y2O3組成的玻璃相。

    參考資料

    1、先進結構陶瓷及其復合材料，尹衍升等著

    2、ZrO2陶瓷結構及增韌機理研究，武麗華等著

    備注

    馬氏體定義：馬氏體是原子經無需擴散的集體協同位移的晶格改組過程，得到的具有嚴格晶體學關系和慣習面的，形成相中伴生極高密度位錯，或層錯或精細孿晶等晶體缺陷的整合組織。

    馬氏體相變：原子經無需擴散的集體協同位移，晶型晶格改組，得到高密度位錯等亞結構的馬氏體組織，這種形核-長大的一級相變，成為馬氏體相變。

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責任編輯：殷鵬飛

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