氧化鋯陶瓷低溫老化的原因以及分析

上文簡單介紹了氧化鋯陶瓷的低溫老化現象，長久處于低溫情況下，會對一些陶瓷零件產生影響，下面是科眾陶瓷廠對氧化鋯陶瓷低溫氧化的原因的分析。

一般情況下，為了使亞穩態t相氧化鋯在室溫下存在，起到相變增韌效果，通常會向其中加入穩定劑(CaO、MgO、Y2O3、CeO2等)。但即便如此，就如上文所言，氧化鋯修復體在充滿水蒸氣且處于低溫老化溫度區間的環境中，會自發地發生t→m 轉變，降低材料的力學性能，在2001年，大約就有400 個植入人體內的氧化鋯股骨頭發生短期失效。
 

整個LTD的過程可分為2個階段：

①首先，材料表面發生t→m轉變，在這個過程中材料體積膨脹使得表面產生微裂紋。

②隨后，環境中的水分通過微裂紋滲透到材料內部，進一步引發材料內部的氧化鋯發生t→m轉變。

老化過程中t→m 相變量與老化時間的關系可由下圖中JohnsonMehl-Avrami公式表達，式中f 相變分數,t 為時間,b、n均為常量。可見老化時間越長,相變含量越高。
 

為探索LTD的本質原因，研究者建立起多種降解機制。基于氧空位和水分子的點缺陷反應是目前被廣泛接受的降解機制。該機制認為低溫老化過程可分為以下4個步驟：
 

①H2O分子化學吸附到ZrO2材料表面；
②吸附在材料表面的H2O分子與O2–應生成OH–；
③OH–沿晶界擴散到材料內部；
④OH–填充氧空位，形成質子缺陷(OH·O)。當氧空位濃度(Vö)低于臨界值時，材料開始發生t→m轉變。

由于OH–的電荷電位小于Vö，晶格中Vö擴散更快，所以低溫劣化的快慢取決于質子缺陷Vö的擴散速率。在擴散過程中，OH–易被具有正電荷電位的晶界吸引，造成晶界處鄰近電荷層中Vö的耗散，從而發生t→m轉變。因此，晶界是轉變從材料表面滲透到內部的主要通路，在LTD過程中發揮重要作用。