3 mol%氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷（3Y-TZP）中晶粒内部缺陷的研究

作者及机构
本研究由Yan Xiong（湖北工业大学材料与化学工程学院）、Lian Luo（湖北工业大学）、Yao Cheng（中国科学院福建物质结构研究所）、Zhi Liu（江西赛瓷材料有限公司）、Qi Liu（江西赛瓷材料有限公司）、Weimin Wang（武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室）及Wei Ji（武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室）共同完成。研究成果发表于*Journal of Advanced Ceramics*（2024年4月，第13卷第4期）。

学术背景
氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷（Y-TZP）因其高断裂韧性、化学惰性及透光性，广泛应用于牙科修复体、光纤连接器等工程领域。然而，传统无压烧结法制备的块体3Y-TZP陶瓷中高密度缺陷的报道极少。本研究旨在探究0.25 wt%氧化铝（Al₂O₃）掺杂对3Y-TZP陶瓷微观结构及烧结行为的影响，揭示缺陷形成的机制及其对低温烧结的促进作用。

研究流程

1. 样品制备

   • 原料：使用三种商业氧化锆粉末：MS（含0.25 wt% Al₂O₃，水热法合成）、SZ（无Al₂O₃）及TZE（日本东曹公司提供，含0.25 wt% Al₂O₃）。
     
   • 烧结工艺：粉末经10 MPa单轴压制和250 MPa冷等静压（CIP）后，在1000℃预烧结2小时，随后在1300℃无压烧结2小时（升温速率：1000℃前10℃/min，之后5℃/min）。
     

2. 表征方法

   • X射线衍射（XRD）：分析相组成及晶格参数变化，通过Rietveld精修计算晶胞参数和四方度（c/a）。
     
   • 电子显微镜：
     
     • 扫描电镜（SEM）：观察表面形貌及晶粒尺寸（线性截距法）。
       
     • 高分辨透射电镜（HRTEM）：检测晶粒内部缺陷（如刃位错）。
       
   • 密度测量：阿基米德法测定相对密度（理论密度6.072 g/cm³）。
     

3. 对比实验

   • 对比含Al₂O₃（MS、TZE）与无Al₂O₃（SZ）样品的缺陷密度、相变行为及烧结动力学。
     

主要结果

1. 微观结构

   • MS样品在1300℃烧结后获得平均晶粒尺寸147 nm、相对密度>99.9%的致密陶瓷。HRTEM显示晶粒内部存在高密度刃位错（图3），而SZ样品无此现象。
     

2. 相变行为

   • XRD分析：MS粉末在900℃完成单斜相（m）→四方相（t）转变，且四方相（101）峰随温度升高先向高角度偏移（1100℃前），后向低角度偏移（1200℃后），表明Y³⁰迁移导致晶格应变（图4）。
     

3. 缺陷成因

   • HRTEM证实缺陷与Al₂O₃掺杂直接相关（图5）。Al³⁰（半径0.050 nm）与Zr⁴⁰（半径0.079 nm）的离子半径差异（36.7%）导致晶格畸变，形成刃位错。
     

4. 烧结动力学

   • 缺陷的存在增强了原子扩散速率，使MS样品在1300℃即可实现致密化，而传统3Y-TZP需更高温度（如1400℃）。
     

结论与意义
1. 科学价值：首次报道了无压烧结3Y-TZP陶瓷中晶粒内部高密度缺陷的现象，揭示了Al₂O₃掺杂通过离子半径差异诱导缺陷的机制。
2. 应用价值：缺陷工程可优化3Y-TZP的低温烧结工艺，降低能耗，适用于复杂形状陶瓷器件的规模化生产。

研究亮点
1. 创新发现：在常规无压烧结陶瓷中观察到晶粒内部高密度缺陷，挑战了传统认知。
2. 方法学：结合HRTEM与Rietveld精修，多尺度解析缺陷与晶格畸变的关联性。
3. 工业意义：为牙科修复体等精密陶瓷器件的低温烧结提供了新思路。

其他有价值内容
- 作者指出缺陷在1400℃高温下会因位错湮灭而消失（图S6），解释了既往研究中未观察到类似现象的原因。
- 对比不同原料（MS与TZE）的烧结行为，发现化学法制备的Al₂O₃掺杂粉末（MS）晶粒更细，为掺杂方法选择提供了参考。