ZrO₂在1150℃左右发生单斜←正方结构的马氏体相变，并伴有3%~5%的体积胀缩。当弥散在陶瓷基体中的ZrO₂粒子发生相变时，伴随相转变的体积变化受到周围基体的限制，使相变受阻导致相变点温度降低。相变温度降低的程度与ZrO₂粒子的尺寸有关，当ZrO₂粒子的尺寸小于某一个临界值D_e时，马氏体相变点可以低于常温。高温的正方ZrO2相可以保持在室温。在室温下，当含有正方结构的ZrO₂粒子的陶瓷中产生裂纹时，裂纹尖端附近由于应力集中而高于临界值时，裂纹尖端附近的正方ZrO₂粒子会因应力诱发而进行马氏体相变。由于相变需消耗大量功，因此正方ZrO₂向单斜的ZrO₂马氏体转变使裂纹尖端应力松弛，从而阻碍裂纹的进一步扩展。此外，马氏体相变的体积膨胀使周围基体受压，促使其他裂纹闭合。显然，马氏体相变的存在使裂纹扩展从纯脆性变为具有一定塑性。此外，材料系统中相变一般伴随有微裂纹的产生，微裂纹也被作为消耗能量的机理类似于相变，故材料得到韧化。这就是所谓的应力诱发相变和相变韧化，或称相变诱发韧性。当裂纹经过后，裂纹两侧产生一个宽为W的相变区，显然相变区W愈宽则增韧效果愈好。ZrO₂粒子的尺寸愈大则所需的相变诱发外力愈小，因而相变区W愈宽。

陶瓷材料由于具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优良性能，作为工程材料正日益受到高度重视，但由于脆性问题(韧性、塑性低，强度不高，性能稳定性和可控性差)使其应用受到很大限制。因此，近年来人们在改善陶瓷材料的强韧性方面进行了大量研究并取得了一定成果。陶瓷材料强韧化方法主要有纤维法、晶须法、颗粒法、热处理法、表面改性法等。

材料的断裂过程要经历弹性变形、塑性变形、裂纹的形成与扩展，整个断裂过程要消耗一定的断裂能。因此，为了提高材料的强度和韧性，应尽可能地提高其断裂能。对金属来说，塑性功是其断裂能的主要组成部分，由于陶瓷材料主要以共价键和离子键键合，多为复杂的晶体结构，室温下的可动位错的密度几乎为零，塑性功往往仅有十几J/m²或更低，因此需要寻找其他的强韧化途径，相变第二相颗粒增韧补强即是途径之一。传统的观念认为，相变在陶瓷体中引起的内应变终将导致材料的开裂。因此，陶瓷工艺学往往将相变看作不利的因素。然而，部分稳定化ZrO₂如(PSZ)具有比全稳定化ZrO₂好得多的力学性能这一事实使人们得到了启发，PSZ的相变韧化得以受到重视，从而把相变作为陶瓷材料的强韧化手段，并已取得了显著效果。

传统的观念认为，相变在陶瓷体中引起的内应变终将导致材料的开裂。因此，陶瓷工艺学往往将相变看作不利的因素。然而，部分稳定化ZrO₂( PSZ)具有比全稳定化ZrO₂好得多的力学性能这一事实使人们得到了启发，PSZ的相变韧化得以受到重视。从而把相变作为陶瓷材料的强韧化手段，并已取得了显著效果。

在含有亚稳t- ZrO₂的陶瓷中，当裂纹扩展进入含有t相晶粒的区域时，裂纹尖端周围的部分t相将在裂纹尖端应力场的作用下，发生t→m相变，形成一个相变过程区。在过程区内，一方面，由于裂纹扩展而产生新的裂纹表面，需要吸收一部分能量；另一方面，相变引起的体积膨胀效应也要消耗能量；同时相变的晶粒由于体积膨胀而对裂纹产生压应力，阻碍裂纹扩展。由此可见，应力诱导的这种组织转变消耗了外加应力，降低了裂纹尖端的应力强度因子，使得本可以继续扩展的裂纹因能量消耗造成驱动力减弱而终止扩展，从而提高了材料的断裂韧性。相变发生后，若要使裂纹继续扩展，必须提高外加应力水平。这样随应力水平的不断提高，裂纹会继续向前扩展。值得注意的是，在相变作用下，裂纹扩展的阻力会越来越大，扩展越来越困难。

氧化锆相变增韧陶瓷是材料科学技术（一级学科），无机非金属材料（二级学科），陶瓷（三级学科），先进陶瓷（四级学科）。

中文名称

氧化锆相变增韧陶瓷

英文名称

zirconia phase transformation toughened ceramics，ZTC

定　　义

在陶瓷基体中加入一定量的亚稳四方氧化锆，利用氧化锆发生马氏体相变时伴随着体积和形状的变化，能量的吸收，减缓裂纹尖端应力集中，阻止裂纹扩展，提高陶瓷韧性达到增韧效果的陶瓷材料。

应用学科

材料科学技术（一级学科），无机非金属材料（二级学科），陶瓷（三级学科），先进陶瓷（四级学科）

一、氧化锆增韧

对氧化铝陶瓷的增韧是使用最多的增韧方法是ZrO2（VK-R30）增韧。当氧化铝中加入纯Zr0（VK-R30），粒子形成ZrO2增韧氧化铝陶瓷时，当添加含量适当时，可使韧性显著提高。其韧化效果主要来源于以下机理：1.使氧化铝晶粒基体细化。2. 氧化锆相变韧化。3.显微裂纹韧化。4. 裂纹转向与分叉。

商用高纯氧化铝陶瓷与ZrO2（VK-R30）增韧氧化铝陶瓷力学性能对比

99%氧化铝陶瓷 氧化锆增韧氧化铝陶瓷

密度 3.85 3.93

抗折强度 350MPa 480MPa

抗压强度 3600MPa 3300MPa

硬度 1900HV 1600HV

抗冲击强度 5MPam1/2 7MPam1/2

二、晶须、纤维增韧

晶须是具有一定长径比(直径0.1—1.8 um，长35-l50um)，且缺陷少的陶瓷单晶。具有很高的强度，是一种非常好的陶瓷基复合材料的增韧增强体；纤维长度较陶瓷晶须长数倍，也是一种很好的陶瓷增韧体，同时两者可复合实用。用SiC、Si3N4等晶须或C、SiC等长纤维对氧化铝陶瓷进行复合增韧。晶须或纤维的加入可以增加断裂表面，即增加了裂纹的扩展通道。当裂纹扩展的剩余能量渗入到纤维(晶须)，发生纤维(晶须)的拔出、脱粘和断裂时，导致断裂能被消耗或裂纹扩展方向发生偏转等，从而使复合材料韧性得到提高。但当晶须、纤维含量较高时，由于其拱桥效应而使致密化变得困难，从而引起密度的下降和性能下降。

三、颗粒增韧

在氧化铝材料中加入一定粒度的具有高弹性模量的颗粒(如SiC、TiC、TiN等)可以在材料断裂时促使裂纹发生偏转和分叉，消耗断裂能，从而提高韧性。尽管颗粒增韧效果不如晶须、纤维，但用颗粒作为增韧剂制作颗粒增韧陶瓷基复合材料，其原料混合均匀化及烧结致密化都比纤维、品须复合材料简便易行。纳米颗粒复相陶瓷是在陶瓷基体中引入纳米级的第二相增强粒子，通常小于0.3um，可使材料的室温和高温性能大幅度提高，特别是强度值，上升幅度更大。

四、 氧化铝自增韧

采用纳米级的氧化铝粉末制备的陶瓷不加增塑剂仍旧在低温下显出极好的超塑性。纳米原料对改善陶瓷晶粒的形状、品界特性等起到了很好的效果。通过合理选择成分及工艺，使一部分氧化铝晶粒在烧结中原位发育成具有较高长径比的柱状晶粒，从而获得晶须的一种增韧机制。这也称为原位增韧，这种技术消除了基体相与增强相界面的不相容性，保证了基体相与增强。

相的热力学稳定，并使界面干净，结合良好。

另外，控制显微结构；改变晶粒形状、粒径、品界特性、气孔率等提高其断裂韧性；使用亚微细且各向分布均匀氧化铝；提高氧化铝粉纯度，改善组织结构。这些都是增加氧化铝陶瓷韧性的有效手段。

市场上最常见的几种增韧母料有：

（1）丁苯橡胶（SBS）：与PS，PP，PE，ABS，PBT等塑料都有良好的相容性。

（2）POE和EVA：在增韧效果上具有一定的相互替代性，在PP、PE的一般增韧应用中很多厂家主要考虑成本因素来选用。在PP的增韧效果上一般POE要略优于EVA。POE和EVA的某些不同特性适合产品除增韧外其他特殊的性能要求。在薄膜应用中，EVA具有较好的阻隔性，而POE一般没有；EVA可以提高PP的印染效果，但会降低耐老化性，而POE具有良好的耐老化性和优异的耐热性和耐寒性；POE的单位密度较小，体积价格低廉。

（3）高胶粉：化学结构 苯乙烯、丙烯晴－丁二烯橡胶，核壳型聚合物。