1 概述

在工業陶瓷中，氧化鋁陶瓷（Al2O3）因具有高熔點、高硬度、優異的高溫穩定性和低廉的價格而受到人們的廣泛關注，但是其韌性較低，限制了工業應用范圍。將氧化鋯（ZrO2）引入到Al2O3陶瓷中，可制得氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）。ZrO2在Al2O3陶瓷中能起到相變增韌和微裂紋增韌的作用，對Al2O3陶瓷進行增韌補強，從而改善Al2O3陶瓷的韌性，因此，ZTA陶瓷成為結構陶瓷中最有前途的材料之一。

在ZTA 陶瓷中，Al2O3基體上均勻彌散分布著ZrO2粒子，隨著溫度的變化，ZrO2粒子發生相變，這種相變屬于馬氏體相變，會相應的產生體積膨脹和切應變，導致張應力和微裂紋的形成。某些小尺寸的ZrO2粒子在張應力的作用下產生微裂紋，這些裂紋局限在小尺寸晶粒中，其萌生和擴展等都會消耗外應力場的能量，進而提高Al2O3陶瓷的韌性和強度[1]。ZTA復相陶瓷分為粉體和塊體兩種形式，形式的不同，其制備工藝存在顯著的差異。

2 ZTA復相陶瓷粉體的制備工藝

燒結是制備陶瓷材料的主要途徑之一[2]，尤其是以固相為主要物相的燒結，燒結前粉體的特性對后續陶瓷的組織結構有重要的影響。因此，要求粉體具有純度高、均勻性好、穩定性優良、團聚少以及配比準確等特點。目前，ZTA 粉體的制備工藝方法非常多，制備出粉體也更有特點。如果把這些制備工藝按照物料體系狀態的不同進行分類，那么可以將其分為固相法、液相法和氣相法等[3]三種。在這三種方法里面，由于液相法具有原料來源廣、操作條件簡易、粉體尺寸和性能穩定以及生產成本較低等優點，所以成為較為理想的ZTA陶瓷粉體制備方法。液相法可獲得尺寸為1~100nm且均勻彌散分布的粉體。液相法又可進一步分為溶膠-凝膠法、化學共沉淀法、水熱合成法、醇鹽水解法等。下面對三種主要的液相法制備工藝進行介紹。

2.1 溶膠-凝膠法

將有機或無機化合物經過溶液-溶膠-凝膠-干燥處理，然后煅燒得到氧化物超細粉（或固體材料）的方法就是溶膠-凝膠法，也叫Sol-Gel法。采用溶膠-凝膠法制備ZTA復相陶瓷粉體時，通常用異丙醇鋁和異丙醇鋯等金屬醇鹽為原料，其制備原理和步驟為：首先利用有機溶劑將金屬醇鹽溶解形成均相溶液，這種溶液能保證醇鹽的水解反應在分子水平上均勻進行；然后醇鹽與水反應生成1nm左右的粒子并形成溶膠；溶膠經陳化得到凝膠；將凝膠進行干燥除去有機基團、殘余水分和有機溶劑，得到干燥膠；最后研磨干燥膠并進行煅燒，以除去化學吸附的羥基、物理吸附的有機溶劑和水，得到ZTA 復相陶瓷粉體。Jayaseelan等[4]采用溶膠-凝膠法制備出了顆粒尺寸小于10nm的超細粉體，此粉體在1530益下無壓燒結獲得致密度較高（大于99%）的ZTA復相陶瓷。

2.2 化學共沉淀法

如果原料溶液中有以均相存在與溶液中的兩種及以上陽離子，在加入沉淀劑發生沉淀反應后，可得到符合要求的成分配比和均勻的粉體，這就是共沉淀法。高濂等[5]以AlCl3·6H2O 和ZrOCl2·8H2O 為前驅體，氨水為混合溶液制備出平均晶粒尺寸與20nm 的ZTA 復相陶瓷粉體，該粉體采用高溫等靜壓法燒結后得到密度約98%的致密陶瓷。

2.3 水熱合成法

一般來說，金屬鹽類在高壓和高溫的水溶液中會表現出與常溫常壓下完全不同的性質，如離子活度增強、溶解度增大、氫氧化物易脫水和化合物晶體結構易轉型等。水熱法制備ZTA 復相陶瓷粉體正是利用這些性質，采用水溶液作為反應介質，在特制的密閉反應容器（如高壓反應釜）中，通過對反應容器創造一個高溫、高壓的環境，使金屬鹽類在水熱介質中溶解，進而成核、生長，最終形成具有一定結晶形態和粒度的晶粒。嚴泉才[6]將Al、Zr、Y 鹽的混合溶液滴入氨水溶液中，共沉淀后，將前驅物再置于高壓反應釜中進行水熱處理，干燥后即可得到燒結性良好的粉體，此工藝省去了高溫煅燒的環節且制備的粉體純度較高。

3 ZTA復相陶瓷塊體的制備工藝

在ZTA復相陶瓷粉體制備出來以后，可將其燒結或熔融，制備得到ZTA 復相陶瓷塊體，這種塊體更有利于工業生產的應用需要。根據制備工藝的不同，ZTA 復相陶瓷塊體的制備工藝可分為純粉末燒結、礦物燒結和電熔等幾種，下面對其一一介紹。

3.1 純粉末燒結工藝[7]

這種制備工藝是以純物質粉末為原材料，對其進行預制成素坯然后燒結而成。純粉末燒結工藝的制備步驟如下：首先把粉末預制成素坯，這種素坯需要具有一定的形狀尺寸、強度和孔隙率。素坯可以用等靜壓或單、雙向進行壓制成型，也可用軋制或擠壓等可塑法進行成型，還能用注漿、熱壓注、注射等膠態法進行成型。每種成型方法之前，都需要根據粉體的特點對其進行處理。通常將一定量的水和添加劑在粉體處理過程中加入，為了防止這些添加物在高溫燒結過程中揮發產生缺陷，需要在素坯成型后進

行排除。最后就是燒結素坯，素坯在一定溫度和氣氛下會發生顆粒黏結的現象，導致強度提高和孔隙率下降，這個過程即為燒結。從本質上說，燒結過程時固相中的原子或分子相互吸引的過程。顆粒的黏結會形成相互間擴散，導致物質發生遷移，素坯因此產生強度并逐漸致密化和結晶化。通常，有些粉體在燒結時還會伴有固相反應、相變和局部熔融。經過燒結以后，材料的性能（如硬度、韌性和強度等）可達到設計要求，對其進行加工后即可使用。

3.2 燒結鋯剛玉陶瓷[8]

將工業氧化鋁和鋯英石按照1：1 的比例進行混合并細磨，把紙漿廢液作為結合劑加入混合物中，壓制成素坯后干燥，然后在1600益下進行煅燒即可得到燒結鋯剛玉陶瓷。這種燒結鋯剛玉陶瓷的正常顯微組織由斜鋯石，莫來石，琢-Al2O3和少量玻璃相組成，如果其中含有少量的游離SiO2和鋯英石，則表明制備工藝存在缺陷。鋯英石的雜質含量較高，因此可使用純度和SiO2含量較高的鋯英砂精礦。比如，廣東產最好的鋯英砂化學成分為：SiO2 32.18%，Al2O3 0.64%，ZrO2 66.04%。要得到含SiO2低的ZTA陶瓷，可以采用脫硅劑去除鋯英砂中的SiO2，脫硅劑與鋯英砂中的SiO2在高溫下發生反應，會生成易揮發的氣態化合物并逸出。

3.3 電熔鋯剛玉

電熔鋯剛玉在廣義上也屬于ZTA陶瓷，但其屬于冶金領域。按照所用原料的不同，電熔鋯剛玉的冶煉可分為以下三種方法：第一種用高鋁礬土熟料和鋯英砂加還原劑去掉雜質；第二種使用生產白剛玉的工業氧化鋁和工業氧化鋯作為原料；第三種使用生產白剛玉的工業氧化鋁粉和鋯英砂精礦作為原料。考慮到經濟和成本因素，一般工業上采用第一和第三種方法。

葛鐵柱等[9]研究了礬土基電熔鋯剛玉陶瓷的制備、性能和結構，以高鋁礬土和鋯英石為基料，炭粒作還原劑。首先將高鋁礬土熟料和煤按100：9 的質量比配料，在三相電弧爐內于120V 電壓下還原熔融成Al2O3，然后在130V 電壓下加入一定質量的鋯英石和炭粒的混合料，最后控制電極使其稍離液面，氧化精煉1h 后冷卻，即制備出礬土基電熔鋯剛玉陶瓷。礬土基和氧化鋁基電熔鋯剛玉陶瓷的顯微組織結構基本相同，均為顆粒狀氧化鋁組成骨架結構，單斜氧化鋯呈柱狀穿插填充在氧化鋁骨架結構的空隙中。

4 結束語

綜上所述，氧化鋯增韌氧化鋁復相陶瓷的應用范圍非常廣泛，需要根據不同的需求選擇相應的制備工藝，才能獲得滿足設計和性能要求的陶瓷材料。通過調整制備時的工藝參數，能獲得致密度更好、強度更高的陶瓷。