氧化锆陶瓷为何倍受青睐？

摘要

在评价脆性材料的强度有以断裂韧性这个名词来阐释脆性材料的破裂耐受度，这是最为恰当的物理量指标，请注意到是脆性材料才用这个名词。对材料表面施加应力造成的裂痕( 但修正因子必须找到正确的数值)，然后量测裂痕的长度和施加应力的数值来计算，其通用公式如下：

K_I=σ √ πaβ ，单位为Mpa ∙√ m 或Mpa ∙√ in

这里公式中的符号表示：

KI = 脆性材料的破裂韧性；σ = 施加的应力，就是硬度机施加的应力大小，应力单位为MPa( 公制) 或psi( 英制)；π = 圆周率，无因次单位；a= 裂痕的长度，单位为毫米(mm) 或英寸(inch)；β = 根据不同试片形状的裂缝长度所输入的修正因子，无单位；

数据源：

http://www.ndeed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Mechanical/FractureToughness.htm

其中最简易的方式则是以维克氏硬度(Vickers hardness) 硬度测量的做法相同之压痕法(Indentation method, IM) 来测得脆性材料的断裂韧性最方便，方法如下：将测试试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg 负载在受测材料的抛光表面，以维克氏硬度计的锥形金刚石压痕器对表面施加压力产生压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了裂纹如图(1)、图(2) 所示。

根据压痕载荷P 和平均压痕裂纹扩展长度

C=(C1+C2+C3+C4)/4 计算出断裂韧性数值（KIC）。

计算公式简化如下：

K_IC=0.004985 ∙ (E/H_V )^(1/2) ∙ P/C^(3/2)

单位为Mpa ∙√ m 或Mpa ∙√ in

这里公式中的符号表示：

KIC = 脆性材料的破裂韧性；E = 为该材料的杨氏模量，例如Si3N4 系统一般取300GPa；Hv= 维克氏硬度机的报告值，单位为GPa；P= 施加的力量，就是硬度机施加的力量大小，单位为N( 牛顿)C= 裂痕的长度，单位为毫米(mm) 或英寸(inch)；

数据源：中国百科网

http://m.chinabaike.com/z/shenghuo/kp/2016/0705/5557960.html

我们从维基百科(Wiki) 和文献中可以查到一些代表材料的断裂韧性如下图表所示。

根据上述的公式和材料破断韧性的数据，各位读者就很容易明白任何材料的物理性质评价都是有一种定性且定量的方法，而非那种无法测得的神秘如”水晶磁场”说，科学上的测试当然法解释那些奇幻商品，Dr.Q 不在此评论，ACMT 讲究的是具体科学论证的报导。

那么，对于氧化锆以上位名词或称微晶锆，也就不再那样的神秘了！

氧化锆的相转变特性

首先要知道氧化锆是一种多种结晶体相的材料，如图(3). 所示在温度的作用下，晶体会改变其结构形式，会使体积有所改变。最有趣的是正方晶转变成单斜晶(Tetragonal phase change to Monoclinic phase) 必须吸收能量，同时会有3~4% 的体积增加量(Volumeincrease)，那就是一种很有趣的基理。

●正方晶氧化锆，这是氧化锆存在的一种不安定性相，一般氧化锆粉末烧制制作成形后都以小于1um( 微米) 的正方晶这种不安定相晶体形式出现，而原料的来源本就是细微的奈米晶体颗粒。各位，请注意到这是氧化锆最重要的相，也就是一般市面称为微晶锆(Microcrystal Zirconia)，或是多晶态正方晶氧化锆(TZP, Tetragonal Zirconia Polycrystal)。我们会在氧化锆添加的第二相或第三相氧化物，除了要在比较低温下1360~1450℃内快速的烧以节省能源，也藉由添加物安定正方晶氧化锆，获得完全的正方晶相以作为增韧效果。最常见的就是3Y-TZP, 5Y-TZP( 其中Y代表氧化钇Y₂O₃，成分添加量以mol% 比例)

●单斜晶氧化锆，正方晶氧化锆受力后会造成麻田散相转变，单斜晶相的锆氧共价因为应力或能量吸收滑移成特殊角度，类似于碳钢因为急速水冷造成淬火形成麻田散铁相的体积膨胀，很有趣的陶瓷材料中氧化锆也有这种现象。

●立方晶氧化锆，当烧结温度高过2320℃，或是在平常烧结到1450℃附近时由于添加物形成晶粒肥大超过5um 以上，氧化锆由其他相转变成立方晶就变成全安定氧化锆，使氧化锆失去了增韧特性，请注意到我们在技术上要避免这相的出现。

●相变化增韧

正方晶转变成单斜晶至少有3~4% 体积的增加量，除了吸收掉裂缝的能量之外还会压紧裂缝，使裂缝无法扩展，这是一种很有趣的物理现象。请见图(4). 所示。

●微裂缝 - 多晶界能量分散

由于正方晶相的晶界多，裂缝进入后沿着较弱的晶界分散其能量，除了相转变发生，众多晶界以及烧结后正方晶晶界留有微裂缝(Micro-crack) 也诱导破裂能量因而消散。图(5). 所示。

●添加相直接停止裂缝延伸

这里分为两种添加相的强化增韧方式，这是传统复合材料的技术，裂缝遭到添加相的高硬度或高强度阻挡，使得裂缝行径被牵制而停止甚至偏转，如图(6).所示。

氧化锆被青睐的主要原因

●高密度与丰富色彩

氧化锆依据添加物相不同由5.6~6.0 g/c.c. 的密度变化，加上因为烧结多采用液相烧结(Liquid PhaseSintering) 而得到近似100% 相对密度，因此抛光之表面呈现镜面，这点在装饰上有特别吸引人目光的特性。加上高韧性与多种染色可能性，在智能手机和穿戴装置上便成为新宠，设计师采用陶瓷元素引领了设计风潮，造成一波波的流行。如图(7) 氧化锆添加不同的高温釉料，可以出现不同的颜色。

注意纯白色氧化强度是最好，添加的颜色釉料会降低氧化强度，这是因为釉料造成液相出现更多使正方晶氧化锆容易粗大化导致成为全安定相的立方晶氧化锆，在Dr. Q 于博士班年代(1993~1996) 的研究已经证实可以采用氧化铝和高温釉料形成安定相尖晶石相降低釉料对氧化锆变色的强度减低；此外，由于氧化锆容易受到铁锈和杂质的污染形成点斑缺陷，一但出现这种问题，就把氧化锆以真空高温渗碳约1450℃ /12 小时，就可以获得黑色氧化锆，以黑色遮瑕来增加产品良率。

●人体亲和性与化学安定性

氧化锆是安定的氧化物，抗氧抗酸碱，在人体接触上应用多，能抛亮且颜色丰富与珠宝搭配，可以制作成人工玉石和多颜色宝石；在化学槽体中的各种螺丝、水阀、支撑等等零件上也有优异的表现。

●高耐磨机械性质

氧化锆的单晶化就是锆钻，其硬度微莫氏硬度8~8.5仅次于红宝石和钻石，由于硬度高耐磨性能好，被用来作为纺织零件的线拖架与辊、摩擦件，甚至高尔夫球头打击片、手表表壳与表链，都是早过智能穿戴装置的发展之前的事，也一直被使用。

●高温耐火领域

由于氧化锆材料高熔点(Tm~2300℃ )、抗高温钢水侵蚀之特性，早期应用于耐火零件，如炼钢业的钢水流嘴、喷嘴、阀门、高温纤维、高温镀层等。

●电子特性领域

氧化锆的电性在十九世纪末即被注意到，研究添加不同氧化物使其在氧化锆中形成不同固溶体，使氧化锆产生离子电导(Ionic Conduction) 效应，具有高温固态电解质的特性，从高温的发热组件、磁动力能量产生器（magneto- hydrodynamic powder generator,MHD）的高温电极，以及氧离子的传感器，以及常温态介电常数远高于玻璃和蓝宝石，作为智能手机的指纹辨识器都有其应用实例。另外，由于氧化锆的绝缘特性和高介电常数，用在光纤套管与插芯，则是常用的零件，每年都有上数亿支的需求( 不过根据Dr. Q市场的调查，光纤套管和插芯价格很低)。

这样经过Dr. Q 的解说，相信众读者可以清楚的理解为何氧化锆被称为陶瓷中钢铁人，这是一种真的有钢铁金属具有的麻田散相变化之材料。

然而，Dr. Q 也一再强调不要被商业手法的广告所误导，买的新陶瓷手机就拿来开摔，保证机壳不破玻璃面板也会破，更难过的是陶瓷机壳一但破损，跟它的产出一样的难以修复，那就得不偿失了！Dr. Q 非常感谢中国的手机业者愿意勇敢的尝试新材料，但也呼吁诸位读者和设计师，陶瓷材料的加工不会是便宜的，适材适用才是重要的，使用陶瓷请注意脆性的限制！！感谢大家！！■

此文章摘录自ACMT- CMM杂志-(2017/8月)