氧化锆陶瓷轴承的秘密，韧性

要了解陶瓷轴承的潜力，我们将从材料、氧化锆开始，直至增韧工艺。

锆（Zr）是一种原子序数为40的金属，于1789年首次被发现。该物质的密度为6.49克/立方厘米，熔点为1852℃，沸点为3580℃。具有六方晶系晶体结构，呈灰色。Zr 在自然界中未发现其纯态。它可以与硅酸盐氧化物一起以矿物名称锆石 (ZrO 2 x SiO 2 ) 的形式存在，或者以游离氧化物（氧化锆、ZrO 2）的形式以矿物名称 Baddeleyite 的形式存在。

它最早的应用之一是在牙科和生物医学领域，现在它们也广泛用于工业应用。由于各种金属元素的杂质会影响颜色，并且由于天然放射性核素（例如铀和氧化钍）使它们具有放射性，因此这些矿物质不能用作牙科的主要材料。生产纯氧化锆粉末需要复杂且耗时的过程来有效分离这些元素。纯化后的材料可作为陶瓷生物材料使用。

氧化锆或氧化锆，ZrO 2是一种多晶型材料，有三种形式：单斜晶系、四方晶系和立方晶系。单斜相在高达 1150°C 的环境温度下稳定，四方相在 1150-2200°C 的温度下稳定，立方相在 2200°C 以上的温度下稳定，而液相在 2680°C 以上形成。一相到另一相与显着的体积变化有关：例如，通过将氧化锆加热到 1150°C 以上，结构从单斜晶系转变为四方晶系，体积减少 5%。相反，在冷却过程中观察到 3% - 4% 的体积增加（图 1）。

图 1. 不同温度下氧化锆可能的晶体结构。

在冷却过程中，氧化锆会经历如图 1 所示的相变过程，从立方晶系到四方晶系再到单斜晶系。与这种转变相关的体积变化会导致氧化锆破裂，或者至少会导致其过度脆化，这使得纯氧化锆无法在许多应用中使用，尤其是在轴承中。为了克服这类问题，添加了一些材料以在室温下稳定氧化锆的立方相。这些材料称为稳定剂，相关产品称为稳定氧化锆。如果加入足够的稳定剂，则可以完全稳定立方相（完全稳定的氧化锆）。否则，如果使用相对较少量的稳定剂，可以获得部分稳定的氧化锆，其中有一定比例的四方相。换句话说，部分稳定的氧化锆是亚稳态四方氧化锆颗粒（在扰动存在下能够转化为单斜晶系）在立方体基质中的精细分散体。

例如，如果你想用氧化钇稳定立方相和四方相，相对百分比大于 7 mol% 会导致立方氧化锆完全稳定，而相对百分比在 2 和 6 mol% 之间的氧化钇会给出部分稳定的氧化锆，其中5-10% 的精细分散四方氧化锆保留在立方矩阵中。

其他常用的氧化锆稳定剂包括二氧化铈CeO 2、钙CaO和氧化镁MgO等。最常用和最有效的稳定剂是Y 2 O 3氧化钇。稳定的氧化锆因此被称为氧化钇稳定的氧化锆、氧化铈稳定的氧化锆、钙稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆。

稳定机制及其对力学性能的影响：在结构应用中，当微裂纹遇到四方颗粒时，裂纹顶点的机械应力集中会触发四方→单斜相变，从而导致体积增加，将相同的面积受转变的影响，减缓或阻止裂纹的传播，如图 2 所示。

这个过程被称为增韧机制，即材料在断裂前吸收机械能的能力。

图 2. 对裂纹施加压力并阻止其前进的结晶转变。