氧化鋯陶瓷材料發(fā)展現(xiàn)狀
氧化鋯是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)陶瓷，其室溫下的高強(qiáng)度和高韌性已經(jīng)為近年來的大量研究確認(rèn)，而高熔點(diǎn)、隔熱好、耐腐蝕等特性讓這種陶瓷獲得了廣泛的應(yīng)用，如耐火材料、模具、軸承、氧傳感器、催化劑載體、航空發(fā)動機(jī)的隔熱涂層甚至牙修復(fù)材料等領(lǐng)域。
氧化鋯陶瓷晶體結(jié)構(gòu)
氧化鋯優(yōu)異的性能很大程度上取決于其晶型的影響，氧化鋯有三種晶體結(jié)構(gòu)：單斜相（m-ZrO2）、四方相（t-ZrO2）和立方相（c-ZrO2），在不同的溫度范圍內(nèi)可以相互轉(zhuǎn)換。純氧化鋯的單斜相從室溫到1170℃是穩(wěn)定的，超過這一溫度轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，然后?370℃轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较嘀钡?2680℃發(fā)生融化。
研究發(fā)現(xiàn)，通過添加氧化物穩(wěn)定劑如二價(jià)氧化物（CaO，MgO，SrO）和稀土氧化物（Y2O3，CeO2）等可以使高溫下才能存在的四方相穩(wěn)定存在室溫下，這種亞穩(wěn)定的四方相能在應(yīng)力誘導(dǎo)下發(fā)生四方相向單斜相轉(zhuǎn)變的馬氏體相變，并伴有3-5%的體積膨脹，由于相變產(chǎn)生的體積效應(yīng)而吸收大量的斷裂能，從而使材料表現(xiàn)出異常高的斷裂韌度，即所謂的“相變增韌”，使得氧化鋯陶瓷具有高韌性、高耐磨性。
ZrO2晶體結(jié)構(gòu)：簡單單斜（左）;簡單四方（右）
XRD在氧化鋯陶瓷材料分析中的應(yīng)用
陶瓷材料在應(yīng)用中的致命弱點(diǎn)是其脆性。由于相變增韌效果，氧化鋯陶瓷在工程陶瓷中有著獨(dú)特的地位。該材料的抗彎強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)等力學(xué)性能與材料的相組成關(guān)系密切，單斜相含量的增加會降低氧化鋯陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度，換言之，如何確定單斜相與四方相的相配比對于研究和開發(fā)綜合力學(xué)性能優(yōu)良的氧化鋯陶瓷是個(gè)非常重要的問題，因此，對于此類同質(zhì)異晶體可以通過X射線衍射分析不同晶型ZrO2的比例含量，確定單斜相與四方相的配比，這對于研究和開發(fā)綜合力學(xué)性能優(yōu)良的氧化鋯陶瓷非常重要。
XRD傳統(tǒng)的物相定量如K值法使用特定的衍射峰強(qiáng)度來確定ZrO2單斜相與四方相的含量。如果測試樣品存在重疊峰和擇優(yōu)取向時(shí)，K值法準(zhǔn)確度不高，局限性明顯，因此還可以對測得的物相進(jìn)行Ritveld精修，即所謂的“全譜擬合”完成物相的定量分析并獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
目前，國內(nèi)對氧化鋯陶瓷單斜相含量的檢測標(biāo)準(zhǔn)為JC/T 2015-2010《四方相氧化鋯老化性能測定方法》。
分析方法與檢測結(jié)果
方法一：RIR法
采用蘇州浪聲科學(xué)儀器有限公司的界FRINGE CLASS桌面式X射線衍射儀對某組氧化鋯陶瓷原料樣品進(jìn)行物相分析。
ZrO2定性定量結(jié)果
測試了氧化鋯陶瓷材料中最廣泛使用的釔穩(wěn)定四方相氧化鋯（Y-TZP）與單斜氧化鋯的混合粉料，對其進(jìn)行了物相定性定量分析。物相定性分析結(jié)果表明，此樣品的晶型為含釔的四方相氧化鋯（PDF：01-089-9068）和單斜相氧化鋯（PDF：01-074-1200），其中氧化釔作為穩(wěn)定劑與ZrO2形成固溶體，生成了穩(wěn)定的四方相氧化鋯。本次定量結(jié)果采用RIR值法分析得到四方相氧化鋯和單斜相氧化鋯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為88.89%和11.11%。
方法二：JC/T 2015-2010《四方相氧化鋯老化性能測定方法》
根據(jù)JC/T 2015-2010《四方相氧化鋯老化性能測定方法》，采用X射線衍射儀測定其相含量，以單斜相的體積含量作為老化性能的衡量指標(biāo)。
單斜相體積含量Vm的計(jì)算公式如下：
Im(-1 1 1)為單斜相(-1 1 1)晶面衍射強(qiáng)度，單位為mm2；
Im(111)為單斜相(111)晶面衍射強(qiáng)度，單位為mm2；
It(101)為四方相(101)晶面衍射強(qiáng)度，單位為mm2。
I為衍射強(qiáng)度，單位為mm2；，
h為衍射峰峰高，單位為mm；
ω為衍射峰半高寬，單位為mm；
ZrO2衍射圖譜的峰線列表
由CrystalX展示的峰線列表可知：衍射強(qiáng)度Im(-1 1 1)=91.85，Im(111)=87.93，It(101)=1429.47。根據(jù)公式（1）、（2）可計(jì)算出單斜相ZrO2的體積含量Vm=14.42%。
方法三：Rietveld精修
Rietvld精修之后的理論譜圖與實(shí)驗(yàn)譜
Rietveld精修完成后可以直接從MAUD軟件中讀出各物相的含量、晶胞參數(shù)（a,b,c,α，β，γ）、晶粒尺寸等物理量，如表1所示。
表1. MAUD軟件精修結(jié)果
注：對于單斜相和四方相，α=γ=90°，表1中未列出。
結(jié)論
本文使用浪聲科學(xué)桌面式X射線衍射儀界FRINGE CLASS測試了氧化鋯陶瓷粉料，方法一求得的ZrO2兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及方法二求得的單斜相ZrO2的體積分?jǐn)?shù)都與方法三Rietveld精修所得的結(jié)果一致。其中使用MAUD軟件完成了Rietveld精修，擬合結(jié)果良好，Rwp=10.377%，Rexp=9.007%。通過Rietveld精修不僅能直接完成無標(biāo)定量，還能獲得各物相的晶胞參數(shù)、晶粒尺寸等物理量。此方法可用于研究和開發(fā)綜合性能優(yōu)良的氧化鋯陶瓷以及生產(chǎn)質(zhì)量控制。
