氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）簡介
氧化鋯增韌氧化鋁 (ZTA)是一種先進的陶瓷複合材料，它兼具氧化鋁 (Al₂O₃) 的高硬度和耐磨性， 以及氧化鋯 (ZrO₂) 的優異斷裂韌性 。透過將 ZrO₂ 顆粒摻入Al₂O₃ 基質 中 ，ZTA 實現了機械強度、熱穩定性和抗裂性之間的獨特平衡，使其適用於要求嚴苛的工程和生物醫學應用。
1. 組成與結構
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基質： 氧化鋁（Al₂O₃，70-90 wt%）－提供硬度和化學穩定性。
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增韌相： 氧化鋯（ZrO₂，10-30 wt%）－透過 相變增韌提高斷裂韌性。
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穩定劑（選購）： 可添加 Y₂O₃、CeO₂ 或 MgO 來控制 ZrO₂ 相穩定性。
微觀結構特徵：
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細小的 ZrO₂ 顆粒 （通常 <1 µm）分散在 Al₂O₃ 基質中。
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四方 ZrO₂（t-ZrO₂） 在室溫下保持亞穩態，從而實現應力誘導的相變。
2. 主要特性和優勢
| 財產 | 鋅硫脲 | 純Al₂O₃ | 純 ZrO₂ |
|---|---|---|---|
| 硬度（HV） | 1600-2000 | 1800-2200 | 1200-1400 |
| 斷裂韌性 (K <sub> IC </sub> , MPa·m <sup> 1/2 </sup> ) | 5-10 | 3-4 | 6-12 |
| 抗彎強度（MPa） | 500-1000 | 300-500 | 800-1200 |
| 抗熱震性 | 高的 | 緩和 | 非常高 |
| 成本 | 緩和 | 低的 | 高的 |
為什麼選擇 ZTA？
✔ 韌性比 Al₂O₃ 更高 （不易碎，抗衝擊性更強）
✔ 硬度比 ZrO₂ 更高 （耐磨性更好）
✔ 良好的熱穩定性和化學穩定性 （適用於惡劣環境）
✔ 硬度比 ZrO₂ 的經濟型替代品
3. 增韌機制
ZTA 抗斷裂性能的提升是由於：
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相變增韌
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在應力下， 四方 ZrO2 (t-ZrO2) → 單斜 ZrO2 (m-ZrO2) 相變發生，導致約 4% 的體積膨脹。
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這會在裂紋尖端周圍產生 壓應力 ，阻礙裂紋擴展。
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微裂紋增韌
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ZrO₂ 相變會誘發微裂紋，進而吸收能量並使主裂紋偏轉。
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殘餘應力效應
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Al₂O₃ 和 ZrO₂ 之間的熱膨脹不匹配會產生有益的殘餘應力。
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4. ZTA的應用
由於其均衡的特性，ZTA 可用於：
(1) 切削刀具及磨損件
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機械加工用刀片、研磨介質、拉絲模具。
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抗衝擊性能優於Al₂O₃。
（2）生物醫學植入物
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髖關節和膝關節置換（純 ZrO₂ 的替代品）。
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牙冠和牙植體。
（3）工業和結構部件
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高溫軸承、密封件、閥門。
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防彈裝甲（韌性比Al₂O₃好）。
（4）電子與能源
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感測器、絕緣體的基板。
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固態氧化物燃料電池（SOFC）中的組件。
