氧化锆陶瓷低温老化的原因以及分析

上文简单介绍了氧化锆陶瓷的低温老化现象，长久处于低温情况下，会对一些陶瓷零件产生影响，下面是科众陶瓷厂对氧化锆陶瓷低温氧化的原因的分析。

一般情况下，为了使亚稳态t相氧化锆在室温下存在，起到相变增韧效果，通常会向其中加入稳定剂(CaO、MgO、Y2O3、CeO2等)。但即便如此，就如上文所言，氧化锆修复体在充满水蒸气且处于低温老化温度区间的环境中，会自发地发生t→m 转变，降低材料的力学性能，在2001年，大约就有400 个植入人体内的氧化锆股骨头发生短期失效。
 

整个LTD的过程可分为2个阶段：

①首先，材料表面发生t→m转变，在这个过程中材料体积膨胀使得表面产生微裂纹。

②随后，环境中的水分通过微裂纹渗透到材料内部，进一步引发材料内部的氧化锆发生t→m转变。

老化过程中t→m 相变量与老化时间的关系可由下图中JohnsonMehl-Avrami公式表达，式中f 相变分数,t 为时间,b、n均为常量。可见老化时间越长,相变含量越高。
 

为探索LTD的本质原因，研究者建立起多种降解机制。基于氧空位和水分子的点缺陷反应是目前被广泛接受的降解机制。该机制认为低温老化过程可分为以下4个步骤：
 

①H2O分子化学吸附到ZrO2材料表面；
②吸附在材料表面的H2O分子与O2–应生成OH–；
③OH–沿晶界扩散到材料内部；
④OH–填充氧空位，形成质子缺陷(OH·O)。当氧空位浓度(Vö)低于临界值时，材料开始发生t→m转变。

由于OH–的电荷电位小于Vö，晶格中Vö扩散更快，所以低温劣化的快慢取决于质子缺陷Vö的扩散速率。在扩散过程中，OH–易被具有正电荷电位的晶界吸引，造成晶界处邻近电荷层中Vö的耗散，从而发生t→m转变。因此，晶界是转变从材料表面渗透到内部的主要通路，在LTD过程中发挥重要作用。