氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷的二三事

ZTA陶瓷

围绕着氧化锆的相关特性展开的相变陶瓷增韧研究自1975年Garvie等人在《自然》杂志上发表“陶瓷钢”一文以来，一直备受关注。自此将氧化锆弥散在各种陶瓷材料的基体中进行试验，并陆续制备出高性能的陶瓷材料。最为经典的就是将氧化锆注入氧化铝陶瓷，可制得氧化锆增韧氧化铝（ZTA，Zirconia Toughened Aluminum）陶瓷。

1 性能特点及其性能与氧化铝粉体的关联性

ZTA陶瓷是一种具有优异化学稳定性、热稳定性和高强度的复相陶瓷，但是可靠性低，生产成本高因而应用受到限制。

ZTA陶瓷的抗弯性能和断裂韧性与其中氧化铝粉体的粒径大小相关，其烧结性随着所用氧化铝颗粒的降低而提高。有实验表明，机械研磨产出的亚微米粒级氧化铝制备的ZTA在1500℃烧结具有好的机械性能，其抗弯强度达到720Mpa，断裂韧性达到6.86MPa·m1/2，其性能较优于化学法制备的氧化铝复合的ZTA陶瓷。但是，并不是颗粒越细ZTA的机械性能就越好，这还同烧结温度有关。同等温度烧结条件下氧化铝晶粒过大还会抑制氧化锆的相变进而影响最终ZTA陶瓷的性能。

2 ZTA复合粉体的制备方法

ZTA复合粉体的制备工艺有混合法、沉淀法和沉淀包裹法等。但是，超细粉体的团聚问题，ZrO2在基体中弥散不均匀等问题一直是工艺控制的难点。近年来，研究人员在原有方法的基础上进行了许多新工艺的改进。

①机械混合法：是将组成复合粉体的粉末进行混合、球磨，然后再进行烧结。该法直接、简便，但不能保证多相组分的均匀分散。经实验发现，此法制成的复合粉体制备的陶瓷材料若因为混合不均匀易出现较高的气孔率，致使材料的机械性能下降。

②多相悬浮液混合法：是通过添加分散剂、调整pH值，先分别制备各组元充分分散的单相稳定悬浮液，然后找出各相颗粒均匀能良好分散的混合悬浮条件，将各单相悬浮液混合，再通过找出共同的絮凝条件可以制备均匀混合的粉体。

③溶胶-悬浮液混合法：由于纳米溶胶的悬浮不受液体pH值的影响，极大地方便了与其它悬浮液的均匀混合，当两种液体的固相含量均较高时，可搅拌加热或气流干燥，以获得混合较高的纳米复相陶瓷。

④溶胶-凝胶法：是将金属氧化物或者氢氧化物的溶胶转变为凝胶，再将凝胶进行干燥煅烧制备氧化物的方法。这种方法适宜于制备均匀混合的纳米粉末。

3 应用方向

氧化铝硬度大、氧化锆韧性好，ZTA陶瓷这一经由两种材料复合制备而成的高强度、高韧性的优能复合体，可应用于陶瓷刀具的制作可实现对铸铁和合金的加工；应用于制作工程陶瓷的界面结构，以延长工程材料的使用寿命；应用于制作耐磨瓷球；依托于氧化铝陶瓷材料优异的生物相容性可以制成生物医用材料，应用于身体硬组织（例如牙齿）的重建和修复。