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前言：
氧化锆陶瓷因具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优良的性能，被广泛应用于各个领域中。常压下纯氧化锆有三种晶型，由于晶型转变产生体积变化，造成开裂。加入适量稳定剂，使氧化锆从高温冷却至室温过程中尽可能多的保留四方相，控制并提高对增韧有贡献的四方到单斜相的有效转变。
氧化钇稳定氧化锆由于其综合性能最好，成为应用最为广泛的氧化锆材料。有研究表明，Y2O3含量在2.5mol%时抗弯强度最高；在2mol%时断裂韧性最大。本文主要以Y2O3含量在2~2.5mol%的氧化钇稳定氧化锆为原料，制备出综合性能较高的氧化锆陶瓷，并探讨成型和烧结工艺对氧化锆陶瓷性能的影响，从而为生产提供理论依据，进而生产出高性能的氧化锆结构陶瓷。
实验：
将氧氯化锆、硝酸钇、硝酸铝按比例配置成溶液，氨水为沉淀剂，采用共沉淀法制备出钇稳定氧化锆粉体，加入一定比例的PVA，水为介质，湿法球磨，烘干、造粒，得到可成型的钇稳定氧化锆粉(Y-ZrO2)。在8.3MPa压力下干压，然后在不同压力下冷等静压成型，将制得的生坯在不同温度下烧结，并保温不同时间，研究等静压压力、烧结温度、保温时间对陶瓷密度、抗弯强度、硬度和断裂韧性的影响。具体试样编号如表1所示。
用固体密度计测试试样的体积密度；用抗压抗折试验机，采用三点弯曲法测试试样的抗弯强度；用维氏硬度计，加载载荷N，保压时间为30s，测试试样的硬度和断裂韧性。
实验结果：
等静压压力对陶瓷性能的影响
相对密度是衡量陶瓷材料烧结程度的一种表征手段，相对密度越大，说明材料的体积密度越接近理论密度；相反，相对密度越小，材料的体积密度越小，材料中气孔等缺陷越多。不同等静压压力对Y-ZrO2陶瓷密度的影响如图1所示。
其中Y-ZrO2陶瓷的理论密度取6.10g/cm3计算。由图1可知，等静压压力为50MPa时，相对密度达到99.1%，随等静压压力的增大，相对密度增大，MPa后趋于稳定，达到99.8%以上。冷等静压可以提高坯体的致密性和均匀性，但达到一定压力后，可流动的颗粒减少，孔隙较少，继续增大压力意义不大。
氧化锆陶瓷的抗弯强度主要与材料的致密度有关，两者大致符合指数关系，即σ=σ0exp(-bp)(p为气孔率；σ为气孔率为p时的强度；σ0为气孔率为0时的强度；b为常数）。材料密度增大，孔隙率减小，抗弯强度增大。不同等静压压力对Y-ZrO2陶瓷抗弯强度的影响如图2所示。
由图2可知，随等静压压力的增大，Y-ZrO2陶瓷的抗弯强度增大，等静压压力MPa以后抗弯强度均达到0MPa以上，这与图1结果是相吻合的。
不同等静压压力对Y-ZrO2陶瓷硬度和断裂韧性的影响如图3所示。
由图3可知，随等静压压力的增大，Y-ZrO2硬度和断裂韧性变化不大，硬度达到12GPa以上，断裂韧性达到14.5MPa.m1/2以上。综合考虑，等静压压力为MPa以上时Y-ZrO2陶瓷的综合性能优良，在MPa时最佳。
烧结温度对陶瓷性能的影响
烧结温度的高低直接影响颗粒尺寸、致密性等，其对陶瓷致密性的影响用陶瓷试样的相对密度变化表示。烧结温度对Y-ZrO2陶瓷密度的影响如图4所示。
由图4可知，℃烧结后，相对密度偏低，低于98%。随着烧结温度的升高，相对密度增大，℃后达到99.5%以上，并且在℃时达到了%的完全致密。但烧结温度在℃以后，相对密度有所下降，这是因为少量单斜相的出现以及氧化锆晶粒尺寸的异常增大导致的。
烧结温度对Y-ZrO2陶瓷抗弯强度的影响如图5所示。
由图5可知，氧化锆陶瓷抗弯强度的变化规律与相对密度相同。在℃烧结时，颗粒未充分接触，粘结强度不够，导致材料的抗弯强度偏低；随着烧结温度的升高，颗粒进一步扩大移动，充分接触，气孔减少，材料的抗弯强度增强，在℃时达到最大值。但进一步升高温度，由于材料的相对密度有所下降，导致气孔增多，材料的有效承载面积减小，抗弯强度下降。
烧结温度对Y-ZrO2陶瓷硬度和断裂韧性的影响如图6所示。
由图6可知，在℃烧结时，氧化锆陶瓷的硬度和断裂韧性均偏低。随着烧结温度的升高，℃以后，材料的硬度变化趋于平稳，达到12GPa以上。断裂韧性随着烧结温度的
升高而增大，在℃达到最大为15.4MPa.m1/2，随后有所下降。综合考虑，Y-ZrO2陶瓷的综合性能在℃烧结时最佳。
保温时间对陶瓷性能的影响
保温时间短，陶瓷晶界不能充分的扩散以及晶粒来不及再结晶，导致陶瓷的性能偏低；但是保温时间过长，晶粒异常长大或者二次重结晶，同样不利于陶瓷产品的性能。因此适当的保温时间对陶瓷产品的性能也是至关重要的。保温时间对Y-ZrO2陶瓷相对密度的影响如图7所示。
由图7可知，保温时间较短时，陶瓷相对密度低于98%，随着保温时间的延长，相对密度先增大后略有下降。这是因为保温时间短，颗粒间扩散时间不够，使得气孔不能完全排出而留在晶粒间，导致陶瓷致密度不够；保温时间延长，气孔减少，陶瓷致密度增加；但保温时间过长，晶粒异常长大，晶粒生长引起临近气孔聚集，导致陶瓷相对密度有所下降。
保温时间对Y-ZrO2陶瓷抗弯强度的影响如图8所示。
由图8可知，随着保温时间的延长，气孔减少，氧化锆陶瓷的抗弯强度增大，在1.5h-2h达到最大；此时陶瓷达到致密化，继续延长保温时间，晶粒长大，由Hall-petch公式可知，抗弯强度与晶粒大小成反比关系，因此2h后抗弯强度下降。
保温时间对Y-ZrO2陶瓷硬度和断裂韧性的影响如图9所示。
由图9可知，随保温时间的延长，氧化锆陶瓷硬度变化不大，达到12GPa以上。断裂韧性基本是先减小后增大，这与陶瓷抗弯强度变化一致。因为一般来说，断裂韧性是随着抗弯强度的增强而减小的。综合考虑，Y-ZrO2陶瓷的综合性能在1.5h-2h保温最佳。
结论:
通过对Y-ZrO2陶瓷工艺的研究，得到了最佳的制备工艺。在等静压压力为MPa、烧结温度为℃、保温时间为2h时，氧化锆陶瓷的综合性能最佳，相对密度达到99.9以上，几乎完全致密化，抗弯强度达到1MPa以上，硬度达到12GPa以上，断裂韧性达到15MPa.m1/2以上。Y-ZrO2陶瓷的综合性能优于市售的氧化钇稳定氧化锆陶瓷，可以更好地应用于生产中，制备出高性能的氧化锆结构陶瓷。
文章来源：DOI:10./j.cnki.ztcg..06.
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