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(xiàn)象，長久處于低溫情況下，會(huì)對一些陶瓷零件產(chǎn)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(wěn)態(tài)t相氧化鋯在室溫下存在，起到相變增韌效果，通常會(huì)向其中加入穩(wěn)定劑(CaO、MgO、Y2O3、CeO2等)。但即便如此，就如上文所言，氧化鋯修復(fù)體在充滿水蒸氣且處于低溫老化溫度區(qū)間的環(huán)境中，會(huì)自發(fā)地發(fā)生t→m 轉(zhuǎn)變，降低材料的力學(xué)性能，在2001年，大約就有400 個(gè)植入人體內(nèi)的氧化鋯股骨頭發(fā)生短期失效。
 

整個(gè)LTD的過程可分為2個(gè)階段：

①首先，材料表面發(fā)生t→m轉(zhuǎn)變，在這個(gè)過程中材料體積膨脹使得表面產(chǎn)生微裂紋。

②隨后，環(huán)境中的水分通過微裂紋滲透到材料內(nèi)部，進(jìn)一步引發(fā)材料內(nèi)部的氧化鋯發(fā)生t→m轉(zhuǎn)變。

老化過程中t→m 相變量與老化時(shí)間的關(guān)系可由下圖中JohnsonMehl-Avrami公式表達(dá)，式中f 相變分?jǐn)?shù),t 為時(shí)間,b、n均為常量。可見老化時(shí)間越長,相變含量越高。
 

為探索LTD的本質(zhì)原因，研究者建立起多種降解機(jī)制。基于氧空位和水分子的點(diǎn)缺陷反應(yīng)是目前被廣泛接受的降解機(jī)制。該機(jī)制認(rèn)為低溫老化過程可分為以下4個(gè)步驟：
 

①H2O分子化學(xué)吸附到ZrO2材料表面；
②吸附在材料表面的H2O分子與O2–應(yīng)生成OH–；
③OH–沿晶界擴(kuò)散到材料內(nèi)部；
④OH–填充氧空位，形成質(zhì)子缺陷(OH·O)。當(dāng)氧空位濃度(Vö)低于臨界值時(shí)，材料開始發(fā)生t→m轉(zhuǎn)變。

由于OH–的電荷電位小于Vö，晶格中Vö擴(kuò)散更快，所以低溫劣化的快慢取決于質(zhì)子缺陷Vö的擴(kuò)散速率。在擴(kuò)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(fā)生t→m轉(zhuǎn)變。因此，晶界是轉(zhuǎn)變從材料表面滲透到內(nèi)部的主要通路，在LTD過程中發(fā)揮重要作用。