1.5 mol%氧化钇稳定氧化锆（1.5YSZ）的烧结与晶粒生长研究学术报告

一、研究团队与发表信息
本研究由清华大学材料科学与工程学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的黄一磊、杨红兵、程世昌、王长安（Chang-An Wang）和董延浩（Yanhao Dong）共同完成，发表于 *Journal of the American Ceramic Society*（J Am Ceram Soc）2025年7月刊，DOI: 10.1111/jace.70140。

二、学术背景与研究目标
氧化锆（zirconia）因其相变增韧（phase transformation toughening）、高离子电导率等特性，广泛应用于结构陶瓷、氧传感器等领域。传统的3 mol%氧化钇稳定氧化锆（3YSZ）虽具有高强度，但断裂韧性（fracture toughness）有限（4–5 MPa·m^1/2）。1980年代起，研究者提出降低氧化钇含量（如1.5 mol% YSZ，简称1.5YSZ）以提升韧性，但需解决低稳定剂含量下烧结过程中单斜相（monoclinic phase）自发形成的难题。近年来，日本东曹（Tosoh）公司开发的ZGaia系列1.5YSZ粉末为实现这一目标提供了可能。本研究旨在：
1. 独立评估1.5YSZ的烧结性能与晶粒生长动力学；
2. 探索两步烧结法（two-step sintering）对微观结构的调控作用；
3. 量化晶界迁移率（grain boundary mobility）并对比其与3YSZ的差异。

三、研究流程与实验方法
1. 材料制备
- 原料：采用Tosoh ZGaia 1.5Y-HT商用粉末，初始粉末含大量单斜相（图1a），平均粒径78 nm（图1c）。
- 成型：粉末经单轴压制（50 MPa）和冷等静压（CIP，230 MPa）制成φ10 mm生坯，初始相对密度49%。

1. 烧结实验

   • 一步烧结：
     
     • 温度范围1000–1500°C，保温1分钟，研究密度、晶粒尺寸与相变行为（图2）。结果显示，1350°C/2 h烧结后相对密度达98.6%，晶粒尺寸397 nm，冷却后单斜相极少；而1500°C烧结会引发单斜相自发形成。
       
   • 两步烧结：
     
     • 第一步（T1）：1225°C保温1分钟，达到82%密度；第二步（T2）：1150°C保温20小时，最终密度99.4%，晶粒尺寸253 nm（比一步烧结减小40%）（图4b）。
       

2. 晶粒生长动力学研究

   • 在1200–1300°C范围内对两步烧结致密样品进行等温退火，通过抛物线晶粒生长定律（parabolic grain growth law）计算晶界迁移率（图5a）。
     
   • 结果显示1.5YSZ的晶界迁移率仅比3YSZ高10倍（图5b），激活能（activation energy）为4.2 eV，与2YSZ和3YSZ相近。
     

3. 表征技术

   • X射线衍射（XRD）：监测单斜相与四方相（tetragonal phase）的转化（图2c）。
     
   • 扫描电镜（SEM）：分析微观结构与晶粒尺寸（图3-4）。
     
   • 阿基米德法：测量烧结密度，理论密度取6.08 g/cm³。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 烧结窗口狭窄性：1.5YSZ需在>1200°C完成单斜→四方相转化，同时需<1400°C以避免冷却时逆向相变（图2c）。两步烧结通过分离致密化与晶粒生长过程，有效拓宽了烧结窗口。
2. 晶粒生长机制：致密样品中晶粒生长符合抛物线定律（图5a），但烧结初期（多孔状态下）晶粒生长速率远超理论预测，可能与纳米粉末界面缺陷的消除有关。
3. 晶界迁移率差异：低氧化钇含量未显著改变激活能，但晶界迁移率略高于3YSZ，可能与Y³⁰晶界偏析（segregation）的饱和效应有关（图5b）。

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了1.5YSZ的烧结动力学特性，阐明了低稳定剂含量下晶界迁移率与相变行为的关联。
- 验证了两步烧结在1.5YSZ微观结构调控中的有效性，为其他纳米陶瓷的制备提供参考。
2. 应用价值：
- 1.5YSZ兼具高韧性（10 MPa·m^1/2）与高强度（>1.3 GPa），有望替代3YSZ用于苛刻环境的结构部件。
- 研究结果对优化低氧化钇含量氧化锆粉末的工业化生产（如减少单斜相比例）具有指导意义。

六、研究亮点
1. 创新性方法：首次将两步烧结应用于1.5YSZ，实现晶粒尺寸的显著细化（253 nm）。
2. 重要发现：晶界迁移率对氧化钇含量的依赖性低于预期，挑战了传统“溶质拖曳（solute drag）”理论的普适性。
3. 工业意义：明确了ZGaia粉末的高烧结活性，为低稳定剂氧化锆的规模化生产提供实验依据。

七、其他有价值内容
研究指出，未来可通过添加氧化铝第二相颗粒（alumina second-phase particles）进一步抑制晶粒生长，或开发更高四方相比例的粉末以简化大尺寸部件的烧结工艺。