氧化锆增韧氧化铝 (ZTA) - 实现强度和耐久性的革命性突破

以氧化锆为增强材料的氧化锆增韧氧化铝基复合陶瓷具有最佳的硬度、断裂韧性和挠曲强度特性。这种氧化锆陶瓷不易受低温降解和应力辅助劣化的影响，同时还具有很强的机械性能。

实力

氧化锆增韧氧化铝的特点是在氧化铝基体中掺入钇和氧化铬添加剂，通过在其表面捕获水分分子，防止它们扩散到氧化锆相中，从而保护氧化锆不发生热液降解。此外，这些添加剂还能降低相变动力学（Pezzotti 等人，2010a）。

ZTA 陶瓷通过转化增韧表现出很高的机械强度。当受到应力时，氧化锆颗粒会改变晶体结构，从易变的四方晶体结构转变为单斜晶体结构，从而导致体积膨胀，压缩周围的氧化铝基体，防止裂纹扩展，提高断裂韧性。

在氧化铝基体中添加钇和铬可增强其抵抗水或体液化学侵蚀的能力，尤其适用于氧化铝与水/体液接触时可能发生应力辅助腐蚀的医疗应用领域。在医疗环境中，水/体液的接触可能会导致氧化铝基体的应力辅助腐蚀，因此该材料的这一特性使其更适合用于应力辅助腐蚀保护。

CeramTec 公司生产的 Biolox Delta 是 ZTA 陶瓷材料的典范，已被植入超过 32 万个股骨头和 16 万个髋臼衬垫，其强度、韧性、断裂韧性和耐磨性均超过了纯氧化铝，这是目前骨科应用中使用的其他陶瓷生物材料无法比拟的。

韧性

氧化锆兼具韧性和强度，是一种出色的切削材料，尤其适用于切削立方氮化硼（CBN）等高性能材料。与硬质合金刀具相比，氧化锆具有优异的耐磨性，能承受高速运转，并能减少热量和振动，同时还具有化学惰性、低摩擦、化学惰性，以及良好的热硬度、急冷强度以及热硬度和急冷强度。此外，ZTA 的热膨胀率相对较低，因此适用于含水量较高的加工环境，如 CBN 或金属可加工表面。

Garvie 等人（1975 年）发现，通过化学处理，精细分散的四方型可沉淀物可转变为单斜相，从而增强了机械性能，如抗弯强度和韧性。商业应用使用稳定剂来管理这种转变过程并提高韧性--例如 CeramTec 已将 Biolox Delta ZTA 商业化，其稳定剂为钇，添加剂含铬和锶，以增强氧化铝基体内的增韧机制。

氧化锆颗粒大小对增韧起着至关重要的作用，颗粒越小，分散性和微裂纹形成越好。此外，通过改变氧化锆和氧化铝的比例，设计人员可以根据具体应用定制陶瓷特性--医疗植入物的棒材和管材、高空飞行器部件或汽车部件的绝缘套管，都可以从专门使用氧化锆陶瓷制造的定制部件中获益。

刚度

氧化锆陶瓷是一种坚硬、耐磨、热稳定性高的材料，具有出色的耐摩擦性，因此适用于切削工具。这些特性加上高弹性和断裂韧性，也使 ZTA 成为一种极佳的材料。在常温下加热时，与纯氧化铝相比，ZTA 具有更高的抗弯强度和断裂韧性，从而提高了性能；其机械性能甚至可以根据具体应用需求，按照氧化锆和氧化铝的成分比例进行定制。

氧化锆增韧氧化铝具有封装特性，是比整体氧化锆更具吸引力的选择。整体氧化锆容易受到水分子化学吸附和低温降解的影响，而 ZTA 则提供了一种保护基质，将局部转变包裹其中，从而限制了转变的传播。

ZTA 的封装机制不仅能防止低温降解，还能使材料在水或体液中不易受到应力辅助腐蚀，这是因为从四方氧化锆晶粒到单斜氧化锆晶粒的局部转变发生在每个氧化锆晶粒内部，而不是扩散到整个晶粒。此外，由于 ZTA 具有在高温下抗变形的能力，因此在疲劳负荷下裂纹扩展的可能性较小。

耐用性

氧化锆增韧氧化铝（ZTA）是将氧化锆的强度和耐久性与氧化铝的耐磨性结合在一起的先进技术材料，其性能超越了两种材料。ZTA 是一种以氧化锆为基础的复合陶瓷，其耐久性远远超过其单独的组成成分；具有更强的耐腐蚀性，并能比标准铝材承受更多的热量。

ZTA 持久性的一个重要因素在于它能够在较高温度下保持其稳定的四方相，这要归功于在其基体中加入了氧化铝作为稳定剂。氧化铝的弹性模量也比整体氧化锆高得多，有助于吸收化学能和机械能，否则氧化铝会转变为单斜相，并导致氧化锆增韧氧化铝进一步降解。氧化铝和单片氧化锆的静态和循环测试表明，ZTA 的韧性和裂纹扩展阈值应力明显优于单片氧化锆。氧化锆和氧化铝的高强度和韧性相结合，为承载应用提供了卓越的耐磨性，因此非常适合用于骨科部件（如髋关节置换）或工业刀具和工具、耐磨密封件或采矿应用。