氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA）及其应用

 氧化铝陶瓷因其优良的力学性能、电性能、化学稳定性，是目前应用广泛的一种陶瓷材料。但是其具有脆性较大、断裂韧性较差的特点，断裂韧性一般为2.5~4.5MPa·m1/2，严重限制了其在更广泛领域的应用，由此，提升氧化铝陶瓷的断裂韧性成为行业内的研究重点之一。而氧化锆增韧氧化铝（zirconia toughened alumina，ZTA）陶瓷结合了氧化铝的高强度和硬度与氧化锆的韧性，成为备受关注的先进陶瓷材料。

一、氧化铝陶瓷的增韧方法

目前，提高氧化铝陶瓷断裂韧性有许多途径，主要可以分成以下三种：

1）引入第二相

在氧化铝陶瓷的基体中引入第二相，使其填充到氧化铝的晶界处，从而有利于阻断裂纹的传播，进而提高陶瓷的断裂韧性。

2）加入Al2O3籽晶

因为籽晶的加入，能促使晶粒的异向生长，异向生长会形成片状以及柱状的晶粒，这种晶粒类似于晶须，从而对陶瓷有裂纹偏移、晶粒拔出、连接增韧的作用。

3）形成缺陷分布

通过粉体的合成过程或陶瓷的制备过程中形成缺陷分布，从而改善氧化铝陶瓷的断裂韧性。

从整体上来看，应用价值最高的方式为氧化锆增韧，将氧化锆(ZrO2)引入到Al2O3陶瓷中,可制得氧化锆增韧氧化铝陶瓷(ZTA)。ZrO2在Al2O3陶瓷中能起到相变增韧和微裂纹增韧的作用，对Al2O3陶瓷进行增韧补强，从而改善Al2O3陶瓷的韧性。ZTA陶瓷熔点高、硬度高，并且耐酸碱腐蚀，同时具有韧性较强的优势，是结构陶瓷中具有较大应用潜力的材料之一。

二、ZTA陶瓷的增韧机理

氧化锆陶瓷是一种同样具有高硬度、高熔点和化学稳定性的金属氧化物陶瓷，常温下纯氧化锆以Zm单斜相存在，可随温度分别升高至1170℃和2376℃时转变为Zt四方相和Zc立方相。Zt四方相氧化锆会在应力诱导作用下转变为Zm单斜相，并伴随约5%的体积膨胀。

在氧化铝基体中掺杂一定比例的氧化锆，可以通过抑制裂纹沿晶扩展，抑制氧化铝烧结晶粒长大和氧化锆相变增韧的作用有效提高材料的韧性。ZTA陶瓷的增韧机制一般认为有应力诱导相变、微裂纹增韧、弥散增韧、压缩表面韧化等，其韧性提高是几种增韧方式的共同作用结果。

1）应力诱导相变

     应力诱导相变增韧是利用应力诱导四方ZrO2马氏体相变来改变陶瓷材料的韧性。ZrO2在室温下为单斜晶系，当温度达到1170℃时，由单斜晶系转化为亚稳态的四方晶型，在应力作用下，亚稳态的四方晶型ZrO2可诱发相变重新转化为单斜晶型。当ZrO2颗粒的尺寸足够小，在室温时，ZrO2仍保持四方相，当受到外应力时，裂纹尖端前部区域的四方ZrO2发生相变，吸收能力，引起体积膨胀，阻止裂纹扩展。

2）微裂纹增韧

     在一定条件下，相变引发体积膨胀在基体中引起均匀分散又不互相连接的微裂纹，增加材料的断裂表面能，吸收主裂纹扩展的能力，达到增加断裂韧性的效果。

3）弥散增韧

     不改变裂纹尺寸的情况下，添加四方氧化锆和立方氧化锆的氧化铝，使得裂纹扩展路径曲折、分叉，吸收更多能量，断裂韧性有所提高。

4）压缩表面韧化

     研磨相变韧化ZrO2的表面，可以使表面层的四方相ZrO2颗粒转变为单斜相，并产生体积膨胀，形成压缩表面层，抵消一部分外加拉应力，从而强化陶瓷。

三、ZTA陶瓷的应用领域

1）医疗领域

①陶瓷人工关节

     人工关节置换术,是治疗晚期关节炎、关节功能丧失等关节类疾病的重要手段之一。ZTA陶瓷,由于其硬度高,生物相容性好等优点已经被应用于人工髋关节的制造。ZTA陶瓷人工关节耐腐蚀能力强,化学稳定性好，显著降低了骨溶解、假体松动以及感染等并发症的发生率。

②牙科

     牙科陶瓷具有优良的生物相容性、力学性能、较佳的美学修复效果，复相陶瓷相比于单相陶瓷具有较高的韧性、硬度、抗腐蚀性和耐高温等特点，其中以ZTA复相陶瓷研究最为广泛。临床研究显示，ZTA既能显现出氧化铝的优点，又能显现氧化锆的高强度、高韧性的特性，在牙科中应用价值理想，被应用于牙科植入物、正畸托槽等。

   2003年，CeramTec 推出第四代用于关节置换的生物陶瓷BIOLOX®delta，采用氧化锆增韧氧化铝（ZTA）复合材料，自此粉陶开始兴起。

2）半导体

①陶瓷劈刀

     陶瓷劈刀是一种有垂直中心孔的轴对称的陶瓷工具，用于芯片封装领域引线键合过程中的焊接工具，属于精密微结构陶瓷材料。ZTA陶瓷劈刀具有非常优异的力学性能，减少焊线过程中陶瓷劈刀尖端的磨损和更换的次数。

②半导体器件封装载板

      ZTA 基板与普通 Al2O3 基板相比具有良好的弯曲强度，主要用于长寿命和高可靠性的应用。由于ZTA陶瓷具有优异的散热性、绝缘性、抗热震性和机械强度，作为半导体器件封装载板被广泛应用于电动汽车IGBT、LED等领域。

3）切削工具

      高速切削要求刀具材料在高温时能够依然保持良好的力学性能、化学稳定性以及抗粘接性能。先进陶瓷材料在高温时仍然能保持稳定的力学性能，满足高速切削的要求。氧化锆增韧氧化铝是制作切割工具的理想材料，结合了氧化锆的抗弯性和氧化铝的刚性两大优点。ZTA陶瓷刀具在切削时侧面磨损小，适用于耐磨、耐腐蚀、高温稳定性和优异机械强度的应用场合，在切削产生的高温下可保持良好的稳定性，可以实现对铸铁和合金的加工。

声   明：文章内容来源于半导体视界。