氧化锆（ZrO2）是一种高熔点金属氧化物，化学性质非常稳定，具有耐磨、耐高温、耐腐蚀等特性。氧化锆因其具有抗热冲击性好、折射率高、热稳定性好等优良的力学性能，可作为新型结构和功能陶瓷材料在众多领域广泛应用。
为何要强调”稳定”？
ZrO2具有多晶型的相结构，低温为单斜晶系（m-ZrO2），高温为四方晶系（t-ZrO2），更高温度下为立方晶系（c-ZrO2），3种晶型相互间的转化关系如下：
随着晶型转变，其中单斜相到四方相的可逆转变会伴随7%～9%的体积变化，导致氧化锆材料在烧成时容易开裂，所以纯的氧化锆材料不能应用在温度变化较大的环境中。
钇稳定氧化锆珠，来源：圣戈班西普磨介
另外，在一些特殊工业领域，ZrO2还应具备一些特殊性能，如高的电导率、好的抗高温老化性能等。因此，在实际应用中往往向ZrO2中添加与Zr4 半径相近的金属离子氧化物(如CaO、MgO、Y2O3等)作为稳定剂，经高温处理后就可以得到使高温晶型在室温稳定存在的氧化锆固溶体，既避免了在加热或冷却过程中因相变引起的体积效应，也使氧化锆质材料性能更加完善，用途更加广泛。
常用哪些稳定剂？
ZrO2是萤石类结构，Zr4 离子半径为0.082nm，为了得到在常温下稳定的ZrO2晶体结构，一般考虑采用离子半径与Zr4 相近的阳离子进行掺杂，目前，研究较多的添加剂主要有两类，以Y2O3为代表的稀土金属氧化物和以CaO为代表的碱土金属氧化物。
常见的掺杂阳离子
1、一元掺杂
Y2O3
在采用钇作为掺杂元素时，Y2O3的掺杂量常采用3mol%、5mol%、8mol%，且随着Y2O3含量增加，稳定氧化锆陶瓷可从四方相（部分稳定）转换为立方相（全稳定），可应用于不同领域。不同Y2O3含量的稳定氧化锆的力学性能具有一定的差异性。与其他稳定剂相比，Y2O3烧结温度低、材料烧结性能好、致密度高。钇稳定氧化锆具有优良的力学性能、化学稳定性及良好的离子导电性。
不同钇含量氧化锆陶瓷的力学性能研究对比
CaO
CaO稳定的氧化锆质材料，不仅原料价格低，且试样晶粒大小随CaO掺杂量的增多变化不大，烧成温度较低，容易获得立方相，这样有助于电导率的提高。
Al2O3
已有研究表明Al2O3对YSZ（氧化钇稳定氧化锆）的掺杂有利于细化晶粒，抑制相变，促进致密化，改善力学性能，添加Al2O3改性，也是研究热点之一。
MgO
氧化镁稳定的氧化锆具有优异的中、常温力学性能，以及良好的耐磨性和低温抗老化特性。
2、多元掺杂
不同元素掺杂量氧化锆陶瓷的相对密度、晶粒尺寸与力学性能
粉体制备及后处理
1、粉体制备工艺
粉体性质是决定陶瓷性能的根本所在，粉体的制备工艺、煅烧温度、研磨时间等决定粉体的晶体结构、粒径、比表面积等性质，从而进一步影响陶瓷性能。稳定氧化锆粉体制备方法较多，以钇稳定氧化锆为例，常见的有水热法、共沉淀法和溶胶凝胶法等。每种粉体制备方法过程中受到多方面因素影响，如水热法制备稳定氧化锆粉体，掺杂量是氧化锆晶型的主要影响因素，水热处理的温度、pH值和矿化剂浓度、掺杂剂浓度均会影响粉体性能。
钇稳定氧化锆制备方法优缺点
2、粉体处理
在成型之前，针对每种成型方法的特点和成型粉体的特性，要对粉体进行处理。粒度分布和后处理等过程对YSZ粉末的烧结速率和致密化行为也有重要影响。通常情况下，制备的粉体往往会出现团聚，通过在实验过程中加入有机添加剂可提高粉体的分散程度。如干压成型通常要进行粉体造粒，便于压制，湿法成型前要制备高固相含量、低黏度的料浆。
成型
成型方法对陶瓷的密度和晶粒尺寸起着重要作用，因为它决定了颗粒-颗粒接触面积和颗粒堆积密度。常用的稳定氧化锆陶瓷成型方法主要有干压成型、热压铸成型、等静压成型、流延成型、注射成型、凝胶注模成型和增材制造等，每种成型方法都受多种因素影响，如干压成型主要受粉体、成型压力、保压时间、加压方式、添加剂类型及浓度、加压速度等因素影响；流延成型主要受粉体、pH值、分散剂、增塑剂、和粘结剂类型及用量等因素的影响。
铈稳定氧化锆珠，图片来源：上海矽诺
烧结
1、烧结技术
陶瓷的烧结方法有常规烧结和快速烧结，常规烧结包括常压烧结、热压烧结等，快速烧结包括微波烧结、放电等离子烧结、自蔓延高温烧结、闪烧、冷烧结和振荡压力烧结等，目前最常用的烧结方法依然是常压烧结，具有成本低、工艺简单等优势，但也存在致密度低、显微结构不均匀以及生产周期长等问题。
2、烧结制度
为获得致密性高的稳定氧化锆陶瓷材料，研究者们探索了烧结温度以及二次烧结或两步烧结等不同的烧结制度对陶瓷制备的影响。高的升温速率使氧化锆内部的温度不均匀，会出现较大和较小晶粒共存的情况，容易导致裂纹出现和气孔形成。因此，在烧结过程中，为了获得良好性能，应采用较低的升温速率。
Stawarczyk等研究不同烧结温度对Y-TZP陶瓷的力学性能的影响，弯曲强度、断裂韧性和弹性模量随温度升高先增加后下降，最大断裂韧性出现在1400℃到1500℃之间，最大弹性模量在1400℃。Babu等采用微波烧结8YSZ时，在5、10和15分钟保温时间内，随着保温时间的增加密度变大，与之对应的弹性模量、硬度也随之变大。
在无压常规烧结中，还有多次烧结和两步烧结。两步烧结是将样品加热到较高温度以获得一定密度，然后快速冷却到一个较低温度，并长时间保温，在此温度下，晶界扩散可继续进行，但晶界迁移却受到抑制。Darmawan等研究发现两步烧结试样的硬度随着烧结时间的延长而增加，达到10h后降低。停留时间为5h和20h的常规烧结样品和两步烧结样品之间的硬度值存在显著差异。但弯曲强度值随烧结条件的变化没有显著变化。
小结
氧化锆陶瓷力学性能的影响因素包括粉体工艺、成型工艺、烧结工艺和低温老化等，这些因素不会单独影响陶瓷材料的力学性能，而是相互作用和相互依赖。因此开发新的粉体制备工艺、新的多元掺杂、良好的成型工艺、合适的烧结制度将是重中之重。
参考来源：
[1]李云鹏等.稳定氧化锆陶瓷力学性能的研究进展.材料导报
[2]孙琪等.钇稳定氧化锆的制备方法及技术进步
[3]田利萍等.钙稳定氧化锆的制备及高温电性能研究
（中国粉体网编辑整理/山川）
