氧化锆陶瓷

氧化锆陶瓷是一种常见的特种陶瓷，其常温下力学性能尤其突出，有“陶瓷钢”之美称。

不过，我们都知道，生产氧化锆陶瓷有一个关键点，就是一定要在其中加入“稳定剂”，使其能以四方相或立方相存在，否则坯体就会开裂，没法得到致密的陶瓷。背后的原因也是众所周知的，如果不加入稳定剂，那么氧化锆就会在低温下转变为单斜相，这种转变会伴随着明显的体积增大，所以在烧结降温过程中，坯体就会裂开，得不到完整的陶瓷件。

那么问题来了：不添加任何稳定剂的氧化锆陶瓷到底能不能制备出来呢？换句话就是，单斜相的致密氧化锆陶瓷存不存在呢？

我们先在理论上简单地分析一下，单斜氧化锆如何才能获得，并且保证不会开裂？答案其实很简单，就是要避免相变的出现。那么如何避免相变的出现呢？就是要控制烧结温度在单斜到四方的相变温度之下，也就是差不多1170℃之下。也就是说，只要能在1170℃之下，完成单斜氧化锆粉体的致密化，就可获得单斜相氧化锆陶瓷。是不是非常简单？

事实也是如此，那几位德国材料学家就是这样做的。他们首先利用化学气相沉积，获得无团聚的纳米氧化锆粉体（晶粒尺寸给为5nm），然后，在500Ma的压力下，获得密度接近于3g/cm³的素坯，最后在1000℃下真空烧结，获得几乎完全致密的透明单斜氧化锆陶瓷，晶粒尺寸约为60nm。

不过有意思的是，和我们上面理论分析的不同，这个制备过程中依然存在相变，只是这个相变不会引起坯体开裂罢了。

原来，四方相氧化锆是否稳定，与其晶粒大小有关，晶粒越细，比表面积越大，则越容易在低温下稳定（具体原因，请查阅本公众号中《为什么四方相氧化锆颗粒能在低温下以亚稳态存在？》一文）。所以他们通过化学气沉积获得的晶粒尺寸仅为5nm的氧化锆粉体，其实是以四方相为主，单斜相仅占23%。这样一来，在用这个粉体制备单斜氧化锆陶瓷的过程中，依然会发生相变。

然后，最有趣的一点来了：这个四方相是如何转变为单斜相的呢？为什么不会引发坯体开裂呢？

很多人可能都会下意识地认为，这应该是在烧结的过程中，随着温度的升高，晶粒不断长大，四方相不能再稳定下来，才逐渐转变为单斜相的。这听起来很有道理，不过事实上却是，当研究者们将这个四方相的粉体经过高压成型后，就已经基本上转变成了单斜相了（四方相只剩下14%左右）。原因是，纳米氧化锆粉体颗粒间在高压作用下会形成紧密接触，导致比表面积大幅度下降（约27%）。显然，这个过程是不会导致坯体开裂的。而之后烧结时只有少量四方相转变为单斜相，而且是发生在升温阶段，此时坯体本身并不致密，所以也不会发生开裂——是不是很神奇。

那是因为，这个“难度”不是特别高，是特指在现代陶瓷研究和生产的技术条件下。换到以前，如何获得无团聚、烧结活性高粉体、如何通过高压获得较高的成型密度，甚至如何控制烧结温度的稳定上升……无一不是天大的难题。

最后一个问题，既然现在单斜相氧化锆陶瓷的制备并不太难，为什么相关的研究并不太多呢？最主要的原因就是：大家一直没有发现这种陶瓷有什么特别突出的优点。比如其折射率和四方氧化锆差不多。如果二者都做成透明陶瓷，那其力学性能还远逊于四方相。既然如此，又何必大费周章却去制备单斜氧化锆陶瓷呢？

不过，最近有一些研究表明，纳米单斜氧化锆陶瓷可能在用于齿科材料方面有一些独特的优点，比如足够高的强度、特殊的半透明光泽、不担心因相变可造成的破坏……等等。所以，如果这些优点或者有其它更多的优点最后被证明的确足够突出，说不定单斜氧化锆陶瓷会迎来一次爆发式发展的机遇。