本研究由Fei Luo（中南大学粉末冶金国家重点实验室及湖南人文科技学院先进陶瓷现代产业学院）、Jin Wen、Xiuying Tian、Ling Zhu、Chunyan Li、Jianhui Cao、Guowen Li、Wentao Kang、Hua-Tay Lin（广东工业大学）以及Fenghua Luo（中南大学）等学者合作完成，于2025年2月28日在线发表于国际期刊《Ceramics International》。

研究背景与目的

本研究属于结构陶瓷领域，聚焦于提升3 mol%氧化钇稳定四方相氧化锆多晶陶瓷（3Y-TZP）的断裂韧性（Fracture Toughness, Kic）。3Y-TZP陶瓷因其高强度、优异的断裂韧性、无毒性及良好的生物相容性，在结构工程、切削刀具、骨科植入物和生物医学研发等领域应用广泛。该陶瓷的主要增韧机制是相变增韧（Phase Transition Toughening），即在外力作用下，四方相（t-ZrO2）向单斜相（m-ZrO2）转变，伴随5%至8%的体积膨胀，从而抑制裂纹扩展。然而，这种相变引发的应力水平强烈依赖晶粒尺寸，对于3Y-TZP陶瓷，维持烧结后晶粒尺寸低于约0.8微米的临界尺寸是充分发挥其相变增韧特性的关键。此外，当陶瓷内部缺陷（Flaw）尺寸超过30微米时，材料可能在相变增韧机制激活前就发生断裂，导致强度显著降低。因此，如何有效减少内部缺陷、同时提高断裂韧性，是该领域的核心挑战。传统的增韧方法如颗粒弥散、纤维/晶须增韧等，常因增韧相与基体之间的结合强度问题而效果受限。尽管有研究报道了位错增韧和纳米缺陷增韧等新机制，但适用于实际工业应用的3Y-TZP陶瓷增韧技术仍然有限。本研究旨在探索一种具有工业应用前景的新型增韧方法，即通过在氧化锆纳米粉体中引入氧化锆微球，构建微纳双元颗粒体系，系统地研究微球含量对陶瓷微观结构和力学性能的影响，并阐明其增韧机理。

研究方法

本研究通过两种方法制备含微球的氧化锆陶瓷，并与不含微球的陶瓷进行对比。实验流程主要包括原料制备、成型和烧结三个环节。

第一步是原料制备。首先，以商业氧化锆纳米粉体（D90约1.54微米）为原料，通过喷雾干燥工艺制备氧化锆喷雾造粒颗粒（Spray Dried Granules），并筛取粒径在45至100微米的颗粒备用。其次，为获得微球，将部分喷雾造粒颗粒在1400摄氏度下煅烧2小时，得到表面光滑致密的煅烧微球（Calcined Microspheres），再在134摄氏度下水热处理30小时，得到表面产生裂纹但整体球形结构保持完好的水热微球（Hydrothermal Microspheres）。为将微球与纳米粉体混合，采取了两种策略。第一种是制备压缩颗粒（Compressed Granules）：将氧化锆纳米粉体与水热微球在乙醇溶液中均匀混合并干燥后，在50兆帕压力下压制成块，再研磨破碎并筛取45至250微米的颗粒，得到含微球的压缩颗粒。通过此法，制备了不含微球的纯纳米粉体颗粒（NZ）、含10%重量比（wt%）微球的颗粒（MN-10）和含30 wt%微球的颗粒（MN-30）。第二种是制备混合颗粒（Mixed Granules）：直接将水热微球与喷雾造粒颗粒在旋转混料筒中混合，得到混合喷雾造粒颗粒。通过此法，制备了不含微球的纯喷雾造粒颗粒（ZG）、含5 wt%微球的颗粒（ZGC-5）、含10 wt%微球的颗粒（ZGC-10）和含30 wt%微球的颗粒（ZGC-30）。

第二步是成型。将上述所有类型的颗粒在80兆帕下干压成型，再经200兆帕冷等静压处理1分钟，得到陶瓷生坯。

第三步是烧结。不含微球的生坯在1550摄氏度下烧结2小时。含微球的生坯则采用两阶段烧结法（Two-Stage Sintering）来抑制晶粒生长：首先快速升温至1650摄氏度保温0.5小时以促进致密化，然后迅速降温至1400摄氏度并保温5小时，以实现进一步的致密化并限制晶粒长大。

最后，对烧结后的陶瓷样品进行了一系列表征与性能测试。利用阿基米德排水法测量陶瓷密度；使用X射线衍射（XRD）分析物相组成；用扫描电子显微镜（SEM）观察粉末、断口及压痕形貌；通过三点弯曲法测试抗弯强度；采用维氏硬度计测试硬度；利用压痕法（Indentation Method）测量并计算断裂韧性（Kic），其中裂纹长度在施加98牛顿载荷并放置24小时后用SEM精确测量。

主要研究结果

密度测试结果表明，引入微球显著提升了生坯密度，其中含30 wt%微球的混合颗粒生坯密度最高，达到3.654克/立方厘米。然而，烧结后陶瓷的密度却随微球含量增加而略有下降，这表明微球的加入降低了烧结收缩率。尽管如此，采用两阶段烧结法成功制备了相对密度高达98.3%至99.8%的含微球陶瓷，并有效将平均晶粒尺寸控制在0.95微米。XRD分析证实所有烧结后的陶瓷均保持了纯四方相结构，未发生向单斜相的自发相变。

力学性能测试揭示了微球增韧的显著效果。数据表明，当微球含量不超过10 wt%时，陶瓷的断裂韧性（Kic）随微球含量的增加而单调递增。具体而言，以纯喷雾造粒颗粒制备的ZG陶瓷为基准，其抗弯强度为923兆帕，断裂韧性为5.11 MPa·m1/2。由压缩颗粒制备的MN-10陶瓷，抗弯强度为816兆帕，但其断裂韧性（Kic）大幅提升至7.65 MPa·m1/2，提高了49.70%。而由混合颗粒制备的ZGC-10陶瓷，虽然抗弯强度降至685兆帕，但其断裂韧性（Kic）达到了最高的8.61 MPa·m1/2，相较于ZG陶瓷的增幅高达68.49%。硬度和抗弯强度受微球引入的影响不一，总体上呈现轻微降低趋势。特别值得注意的是，当微球含量过高（30 wt%）时，陶瓷的抗弯强度急剧下降，例如ZGC-30仅为481兆帕，这为优化微球含量提供了关键依据。

基于对微观结构演变，特别是MN-10坯体在不同烧结温度下断口形貌的系统SEM分析，研究团队提出了“微孔增韧机制”（Micropore Toughening Mechanism）以解释断裂韧性显著提升的现象。分析发现，引入的微球在烧结后于陶瓷基体内形成了不连续分布的微孔区域。当主裂纹（Primary Crack）尖端的应力场作用于这些微孔时，会在微孔周围引发应力集中，导致大量微裂纹（Microcracks）的形核和扩展。这一过程产生了三种主要的增韧效应：其一，微孔尖端局部的微裂纹触发周围晶粒发生四方相到单斜相的相变，有效耗散了主裂纹扩展的能量；其二，足够数量的微孔促成多条平行微裂纹的形成，最终导致主裂纹的分叉（Bifurcation）；其三，相邻微孔产生的微裂纹相互连接，引导主裂纹沿微孔高密度区域优先扩展，从而造成主裂纹的偏转（Deflection）。裂纹分叉和偏转共同作用，延长了裂纹扩展路径，增加了能量耗散，从而显著提升了材料的断裂韧性。

研究结论与价值

本研究成功发展了一种简单有效的氧化锆陶瓷增韧新方法。通过在纳米粉体中引入适量（10 wt%）的氧化锆微球，采用工业上可行的干压成型和两阶段烧结技术，可将3Y-TZP陶瓷的断裂韧性（Kic）最高提升约68.49%。其科学价值在于首次提出并验证了基于微纳双元颗粒构造的“微孔增韧机制”，清晰阐明了微孔诱导微裂纹形核、导致主裂纹分叉偏转的增韧过程，为陶瓷增韧理论提供了新见解。其应用价值在于，该方法工艺简便，所采用的原料和设备均为工业常用，无需引入第二相异质材料，避免了界面结合问题，具有良好的工业放大潜力和实际应用前景，为制备高韧性氧化锆陶瓷部件提供了新的技术途径。

研究亮点

本研究的首要亮点是发现了微纳双元颗粒体系的增韧效应，在保持纯四方相的前提下，实现了断裂韧性的大幅提升。其次，创新性地提出了“微孔增韧机制”，将通常被视为缺陷的微孔，通过巧妙的微结构设计转变为有效增韧相，颠覆了传统认知。最后，在工艺上，通过对比压缩颗粒和混合造粒颗粒两种微球引入方式，确定了最佳工艺路径和微球含量的阈值（10 wt%至30 wt%之间），揭示了过量微球会导致力链屏蔽效应，形成连续微孔区域从而降低强度，为工艺优化提供了明确的科学依据。