氧化钇稳定的四方多晶氧化锆（Y-TZP）具有良好的耐磨性，耐腐蚀性、耐高温性，以及热导率小、热膨胀系数大特点，广泛应用于耐磨陶瓷球、轴承、工具、内燃机、隔热涂层、发热元件、手机背板、义齿等等。

耐腐蚀氧化锆陶瓷轴承及耐磨氧化锆磨介球

但陶瓷固有特点脆性大、韧性低，限制了Y-TZP的应用领域，因此提高韧性是目前氧化锆陶瓷及其他陶瓷材料的一个研究重点。因氧化锆特有的相变过程，使其在氧化锆陶瓷及其他陶瓷增韧领域成为热点研究对象。

本文将为大家分享一个课题组的研究成果来说明氧化锆陶瓷断裂韧性与粉体粒径的关系。

1、研究背景

利用放电等离子烧结技术(SPS)制备Y-TZP陶瓷，前期研究表明，随着晶粒尺寸的增大，陶瓷的断裂韧性逐渐增加；在此基础上课题组以不同粒径的粉体作为原料，利用SPS技术制备了Y-TZP陶瓷，研究了粉体粒径对陶瓷断裂韧性的影响

2、试样制备与测试

a制粉：

取无锡某厂制备的含3%的Y₂O₃的ZrO₂粉体，粒径分别是444.8及301.9，对444.8的粉体进行不同时间球磨制取了3种不同粒径的Y₂O₃-ZrO₂粉，用动态光散射仪测试，其粒径分别是419.3、357.8、344.3nm。共得到5组不同粒径的Y₂O₃-ZrO₂粉体。

b制样：

取3g Y₂O₃-ZrO₂粉体，倒入φ20mm的石墨模具中，预压后再DR.SINTER系列SPR-1030型系统中于1400℃真空烧结5min，升温速率为50℃.min^-1 ，烧结压力为15MPa、真空度不小于10Pa；烧结完成后以50℃• min^-1。的速率降温至650℃后随炉冷却，得到尺寸为φ20mmx3mm的Y-ZTP陶瓷试样。

c测试：

采用VH-5型维氏硬度计进行压痕试验，施加载荷98N，保载15s，测5点平均值。采用扫描电镜测试样断口形貌，取50组晶粒尺寸，计算平均晶粒尺寸。将Y-ZTP陶瓷试样在刚玉研钵中研磨至63μm以下，通过研磨之后使之发生应力相变，随后用X射线衍射仪确定陶瓷相组成及含量。

3、试验结果

a、粉体粒径对晶粒尺寸的影响

通过扫描电镜测试及计算结果，我们发现粉体粒径与陶瓷试样的晶粒尺寸近似线性递减，说明粉体的粒径对烧结后的晶粒尺寸有一定的影响，其关系见下图。

图1 粉体粒径对Y-TZP陶瓷晶粒尺寸的影响

有前者研究表明粉体粒径与烧结温度及晶粒尺寸的关系如下

①颗粒尺寸越小，表面越不规则，其表面积越大，所含的表面能就越大，对烧结过程提供的驱动就越大。

②相同烧结工艺下，粒径较小的颗粒，由于其毛细管理比较大，在液相溶解度更高，因此颗粒重排较快，在溶解沉淀阶段，物质迁移较快，晶粒更容易长大。

③陶瓷额晶粒尺寸随着烧结温度降低而减少。因此粉体粒径越小，晶粒越容易长大，烧结越容易进行，由此粉体粒径的减少可以有效降低烧结温度。

图2 粉体粒径与烧结温度及晶粒尺寸关系

b、晶粒尺寸对断裂韧性的影响

由图1可以看出，五种Y-TZP陶瓷试样的断裂形式均包括沿晶断裂以及穿晶断裂，当原料粉体粒径为301.9nm时，烧结制备陶瓷试样的断口主要呈现穿晶断裂；当粉体粒径在444.8-344.3之间时，试样断口上存在一定量的因陶瓷颗粒被拔出后遗留的“窝”，这是由于裂纹在延伸扩展的时候会绕过小颗粒晶界面而产生的现象。

图3 不同粒径粉体制备Y-TZP陶瓷试样的断口形貌

穿晶断裂相对于沿晶断裂而言，消耗更多的能量，因此粒径为301.9nm的粉体制备的Y-ZTP陶瓷抵抗裂纹扩展能力更强，即断裂韧性更大。

c、粉体粒径对应力诱导的相变的影响。

对比图4、图5，在研磨前，不同粉体粒径对粉体烧结的Y-TZP均由t相组成，在研磨后，Y-TZP陶瓷试样中还出现了单斜相的特征衍射峰，见下图5，说明发生了t→m相的应力诱导相变。

氧化锆陶瓷的室温组织中存在一种临界相变尺寸。当晶粒尺寸小于临界相变尺寸时，其室温相均为t相。可见施加外力前，五种陶瓷试样的晶粒尺寸均小于临界相变尺寸。由于只有处于介稳定的t相才能发生应力诱导相变，因此五种陶瓷试样在室温下均由稳定t相和介稳t相两部分组成。

图4 研磨前不同粉体粒径制备的Y-TZP陶瓷的XRD图谱

图4 研磨前不同粉体粒径制备的Y-TZP陶瓷的XRD图谱

由实验测试结果得出如下图5，可见应力诱导相变量（即相变前后m相的增加量）随着粉体粒径的增大为减少。结合图1分析，粉体粒径越小，陶瓷的晶粒尺寸越大，而越接近临界相变尺寸，使得可相变介稳t相增多，在外力的作用下，晶粒越容易发生t→m相变，导致相变量越大。当粉体粒径为301.9nm时，此时应力诱导相变量达到最大，为16.18%（体积分数）。

图5 粉体粒径对Y-TZP陶瓷应力诱导相变量的影响

d、粉体粒径对断裂韧性的影响

经过如上分析及试验测试结果（见下图6），可知，Y-TZP陶瓷试样的断裂韧度随着粉体粒径的增大而减少。在一定外应力作用下，随着主裂纹的扩展，裂纹尖端的应力会诱发相变，即部分介稳态相转变为m相，在相变过程中会伴随着5%到8%的体积膨胀，这种相变体积效应会压制主裂纹的扩展，使得裂纹继续扩展需要消耗更大的能量。

此外，在相变过程中会产生残余应力场或诱发产生显微裂纹，当主裂纹扩展经过这些显微裂纹时容易发生偏转分叉，延长并增加裂纹扩展路径，消耗更多能量。

图6 粉体粒径对Y-TZP陶瓷断裂韧性的影响

结合图5、6分析，随着粉体粒径的增大，应力诱导相变量减少，导致断裂韧性下降，应力诱导相变量和断裂韧度随着粉体粒径变化趋势相同。

本文数据内容来自如下参考文献，更多详细内容请详读如下参考文献

1、粉体粒径对氧化锆陶瓷断裂韧性的影响 • 机械工程材料 • 宁波工程学院，华东理工大学，太原理工大学 • 李翔，张秀香，戴姣燕，张修庆，徐金富著。

备注：

1、穿晶断裂：穿晶断裂时裂纹穿过晶粒内部扩展。2、沿晶断裂: 裂纹沿晶界扩展，可以清楚地看到一个个晶粒，晶粒面比较光滑。

粉体圈 作者：小白