在材料科学中，氧化锆最坚固、韧性最好的相是斜方相，特别是当它以多晶形式稳定存在时 (TZP)。其卓越的性能并非仅归因于固有的静态强度，而是归因于一种动态的、应力激活的机制，称为相变增韧。这种独特的特性使材料能够主动抵抗裂纹扩展，使其在承受高应力应用时极其耐用。
斜方氧化锆强度的核心原因是它能够在应力下改变其晶体结构。这种转变会吸收能量，并产生局部压应力，从而使正在形成的裂纹闭合，阻止其扩展。
氧化锆的三种相：入门知识
二氧化锆 (ZrO2)，即氧化锆，是一种同素异形材料，这意味着它根据温度和压力可以以不同的晶体结构（称为相）存在。了解这三种主要相对于理解其性能至关重要。
单斜晶系 (M)
单斜晶系是室温下和高达约 1170°C 时氧化锆最稳定的形式。纯氧化锆自然存在于此相中。虽然稳定，但它明显更脆，缺乏其他相的高机械强度。
斜方晶系 (T)
斜方晶系是高强度、亚稳态相。它自然只在高温下（1170°C 至 2370°C 之间）稳定存在。为了在工程应用中有用，必须通过添加氧化钇 (Y₂O₃) 等稳定氧化物，将其“捕获”在室温下的这种状态。这是氧化钇稳定化斜方氧化锆多晶体 (Y-TZP) 等材料的关键。
立方晶系 (C)
立方晶系在更高温度下（高于 2370°C）稳定。与斜方相一样，在有足够添加剂的情况下，它也可以在室温下稳定存在。立方氧化锆的强度和硬度低于斜方氧化锆，但具有卓越的光学透明度和离子导电性，这就是它被用作宝石（立方氧化锆）和用于氧传感器等应用的原因。
斜方氧化锆强度背后的机制
Y-TZP 的卓越性能不仅仅在于斜方相本身，还在于其转变的潜力。
什么是相变增韧？
这是氧化锆韧性的核心现象。在稳定化斜方氧化锆中，晶粒被保持在亚稳态——就像一个被压缩的弹簧，随时准备释放能量。
当微小裂纹开始形成并通过材料扩展时，集中在裂纹尖端的强烈应力提供了触发相变所需的能量。
体积膨胀：阻止裂纹的力量
触发的相变是从斜方结构转变为更稳定的单斜晶系结构。至关重要的是，单斜晶系的体积比斜方晶系的体积大 3-5%。
这种局部的体积膨胀直接在裂纹尖端周围产生强大的压应力场。这种压应力与将裂纹拉开的拉伸应力相反，有效地将裂纹挤压闭合并使其钝化。这个过程吸收了大量的断裂能量，极大地提高了材料抵抗灾难性失效的能力。
稳定剂（氧化钇）的作用
如果没有稳定剂，当斜方相从烧结温度冷却时，它会立即恢复为单斜晶系。由此产生的不可控的体积变化会导致材料破碎。
像氧化钇这样的稳定剂精确控制了这个过程，使得斜方相能够在室温下保持其高能、亚稳态，仅在裂纹尖端需要时才发生转变。
了解权衡和局限性
尽管斜方氧化锆非常坚固，但它并非完美材料。其特性伴随着决定其用途的关键权衡。
强度与半透明度的权衡
断裂韧性和光学性质之间存在直接的权衡。实现相变增韧的 Y-TZP 的细晶粒、致密结构也会散射光线，使其相对不透明。
立方相浓度较高的材料（如 5Y-TZP，通常称为“半透明氧化锆”）更美观，但强度和断裂韧性明显较低，因为可用于阻止裂纹的斜方晶粒较少。
低温降解 (LTD) 的风险
随着时间的推移，尤其是在有水或湿气存在的情况下，亚稳态的斜方相可能会在材料表面缓慢自发地转变为单斜晶系。这种现象也称为老化，可能会产生表面微裂纹并降低材料的强度。
必须仔细控制成分和制造工艺，以尽量减少对这种长期降解的敏感性，这对于永久性医疗植入物是一个主要问题。
为您的应用选择合适的氧化锆
选择氧化锆相不是要找到“最好”的，而是要找到最适合特定工程目标的相。
- 如果您的主要重点是最大的断裂韧性和机械强度： 具有高浓度亚稳态斜方晶粒的 3Y-TZP 配方是承重结构部件或牙科支架的明确选择。
- 如果您的主要重点是美观和半透明度： 具有更多立方相稳定剂的氧化锆，例如 5Y-TZP，是整体前牙修复体等外观至关重要的应用的理想选择。
- 如果您的主要重点是平衡强度和外观： 混合配方，例如 4Y-TZP，提供折衷方案，比 3Y-TZP 具有更好的半透明度，同时比 5Y-TZP 具有更高的强度。
了解这些晶相之间的相互作用是成功利用这种先进陶瓷的全部潜力的关键。
摘要表：
| 氧化锆相 | 稳定温度 | 关键特性 | 常见应用 |
|---|---|---|---|
| 单斜晶系 (M) | 室温至 ~1170°C | 脆性，室温下稳定 | 有限的工程用途 |
| 斜方晶系 (T) | 1170°C 至 2370°C | 高强度、韧性（通过相变增韧） | 牙科植入物、切割工具、工业部件 |
| 立方晶系 (C) | 高于 2370°C | 高光学透明度、离子导电性 | 宝石、氧传感器 |
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