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氧化锆增韧氧化铝的增韧机制及运用-东莞市夏阳新材料有限公司

作者:XYC 时间:2022-08-02 分类:行业新闻

氧化锆增韧氧化铝陶瓷(ZTA)是以Al2O3为基体,部分稳定ZrO2为增韧相的一种复合相陶瓷材料。这种复合陶瓷材料既显现出氧化锆陶瓷高韧性和高强度的特性,又保留了氧化铝陶瓷高硬度的优点,而且随着这种综合力学性能的提高,其耐磨性也得到了较大的改善。

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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,ZTA陶瓷被广泛应用于汽车领域、生物医疗领域以及许多工程领域的工程材料。

氧化铝以其高强度、高硬度、高耐磨、抗氧化及抗热震等优异性能,在机械、电子、化工等领域得到广泛应用。但氧化铝的断裂韧性较低,抗冲击能力差,限制了其更广泛领域的应用。通过在氧化铝基体中添加增韧材料,可明显改善这一现象。其中氧化锆增韧氧化铝陶瓷被证明具有较好的增韧效果。ZrO2增韧机制有许多种:应力诱导相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、表面诱发强韧化和微裂纹分叉增韧等。

氧化锆增韧氧化铝的增韧机制:

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。

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氧化锆增韧氧化铝陶瓷的应用:

ZTA陶瓷具备优良的抗腐蚀性、抗热震性、较高的强度和韧性,因而具有广泛的应用前景。

阀门密封件

选择阀门密封件时,重要的是要确保使用的材料经久耐用。材料要耐温、耐腐蚀和耐油。氧化锆增韧氧化铝陶瓷(ZTA)符合这些标准,通常用作阀门密封件。

② 关节置换

其生物相容性是氧化锆增韧氧化铝(ZTA)所具有的特性之一。此外,这种复合材料坚韧且具有高抗弯强度。这使得氧化锆增韧氧化铝(ZTA)成为用于关节置换的合格材料。它的生物相容性将确保它不会对身体造成伤害,而它的韧性将确保它可以承载身体的重量。它通常用于髋关节置换术。

③ 切削工具

氧化锆增韧氧化铝(ZTA)坚硬、耐磨、热稳定、耐摩擦。这些特性使其成为制造切削工具的绝佳材料,用ZTA陶瓷制作的陶瓷刀具可以实现对铸铁和合金的加工。此外,它们比用于制造切削工具的其他材料(如金刚石)更便宜。

④ 砂轮

砂轮是磨床的重要部件。砂轮通常由复合材料制成。氧化锆增韧氧化铝(ZTA)是用于制造它们的复合材料之一。ZTA陶瓷的高机械性能和磨蚀性使它非常适合这种用途。

⑤ 陶瓷牙

由于其生物相容性,氧化锆增韧氧化铝(ZTA)通常用于制造牙科植入物。此外,氧化锆增韧氧化铝(ZTA)不易腐蚀。这使得由氧化锆增韧氧化铝(ZTA)制成的牙科植入物可以在口腔中湿润而不会受到损坏。

⑥ 衬套

衬套的功能是充当两个结构之间的填充物,它是轴承的一种。氧化锆增韧氧化铝(ZTA)通常具有光洁度。这是它作为衬套出色的原因之一。ZTA陶瓷被用作衬套的另一个原因是它具有很高的摩擦阻力。

⑦ 陶瓷基板

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。在大功率电动汽车、航天航空和军工等先进工业领域中的高功率电源模块,需要使用强大载流和散热能力的陶瓷基板,如IGBT模块用基板、LED封装用基板。在大功率LED灯的应用中,也需要使用高反射率和高耐电压冲击强度的陶瓷基板。

ZTA基板通过掺杂锆的氧化铝陶瓷提高了可靠性,耐腐蚀、化学稳定性好,具有高断裂韧性和抗弯强度、高耐温能力、高载流容量、高绝缘电压、高热容与热扩散能力以及与硅相近的热膨胀系数,使其成为DBC陶瓷覆铜基板和LED线路板急需的高性能陶瓷材质电路载体。