一、ZTA 是什么?
ZTA = Zirconia-Toughened Alumina
中文:氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷
它不是兩種陶瓷簡(jiǎn)單混合,而是一種復(fù)合陶瓷材料:
主成分是氧化鋁(Al?O?,占70%~95%)
加入少量氧化鋯(ZrO?,通常5%~30%)
兩者的結(jié)合就像在混凝土里加鋼筋——混凝土硬但脆,鋼筋韌但軟;兩者結(jié)合,就又硬又結(jié)實(shí)!
二、為什么需要“增韌”?純氧化鋁有什么問題?
純氧化鋁陶瓷的優(yōu)點(diǎn):硬度高(耐磨),耐高溫,成本低,化學(xué)穩(wěn)定。
但它有個(gè)致命缺點(diǎn):太脆了!太脆就會(huì)斷裂韌性低(約3–4 MPa·m1/2);一旦有微小裂紋,很容易快速擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂;不適合承受沖擊或動(dòng)態(tài)載荷的場(chǎng)合
那么能不能讓氧化鋁“不那么脆”?
答案就是:加入氧化鋯!
三、氧化鋯是怎么“增韌”的?——核心機(jī)制
關(guān)鍵在于氧化鋯的 “相變?cè)鲰g” 能力:
在ZTA中,氧化鋯以微小顆粒形式均勻分散在氧化鋁基體中。
這些氧化鋯顆粒被特殊處理(如加入氧化釔Y?O?),在室溫下保持一種亞穩(wěn)態(tài)的四方晶體結(jié)構(gòu)(t-ZrO?)。
當(dāng)材料受到外力、出現(xiàn)微裂紋時(shí),裂紋jian端的應(yīng)力會(huì)觸發(fā)這些四方相氧化鋯轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵╩-ZrO?)。
這個(gè)相變過程會(huì)伴隨約3–5%的體積膨脹。
膨脹就像在裂紋內(nèi)部“撐開一個(gè)小氣球”,對(duì)裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力,從而:
阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展
消耗更多能量
顯著提高材料的強(qiáng)度和韌性
? 這就是“增韌”的秘密武器!
四、ZTA vs. 純氧化鋁 vs. 純氧化鋯 —— 性能對(duì)比
| 特性 | 純氧化鋁 | 純氧化鋯(如Y-TZP) | ZTA |
|---|
| 硬度 | ?????(很高) | ???(中等) | ????(高,略低于純Al?O?) |
| 強(qiáng)度 | 中等(300–400 MPa) | 很高(800–1200 MPa) | 高(600–1200 MPa) |
| 斷裂韌性 | 低(3–4 MPa·m1/2) | 極高(5–15 MPa·m1/2) | 中高(5–8 MPa·m1/2) |
| 耐磨性 | 好 | 一般(硬度較低) | 非常好(硬+韌=抗磨又抗剝落) |
| 成本 | 低 | 高 | 中等(性價(jià)比高) |
| 適用場(chǎng)景 | 絕緣件、耐腐蝕襯里 | 牙冠、精密零件 | 刀具、軸承、密封件、防彈材料 |
? ZTA 的優(yōu)勢(shì):在硬度、韌性、成本之間取得最jia平衡!
五、ZTA 用在哪些地方?
因?yàn)樾阅苋?,ZTA 被廣泛用于高要求工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域:
切削刀具:加工鑄鐵、鎳基合金等難切材料
?? 機(jī)械密封環(huán) / 軸承球:在無油、腐蝕環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行
拉絲模具 / 噴砂嘴:高耐磨需求
牙科種植體 / 人工關(guān)節(jié)(需生物級(jí)ZTA)
? 輕型防彈裝甲:作為陶瓷面板,比純氧化鋁更抗多次沖擊
六、一句話總結(jié)
ZTA = 氧化鋁的“硬骨頭” + 氧化鋯的“柔韌性”,造就出一種既耐磨又抗裂、性價(jià)比極高的高性能陶瓷。
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