氧化锆材料具有高硬度，高强度，高韧性，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等等优良的物化性能，氧化锆在陶瓷方面有较大的应用与研究潜力空间。
2.1 氧化锆的相变
众所周知，氧化锆是一个多相体系，受温度的影响历经三个相系：单斜、四方和立方．但又是可逆的相转变过程，常温下只是单斜相氧化锫。
不同相结构的ZrO2的膨胀性能差异很大。单斜ZrO2向四方ZrO2转化时，发生各向异性膨胀，沿三个轴(a、b、c)
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氧化锆材料具有高硬度，高强度，高韧性，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等等优良的物化性能，氧化锆在陶瓷方面有较大的应用与研究潜力空间。
2.1 氧化锆的相变
众所周知，氧化锆是一个多相体系，受温度的影响历经三个相系：单斜、四方和立方．但又是可逆的相转变过程，常温下只是单斜相氧化锫。
不同相结构的ZrO2的膨胀性能差异很大。单斜ZrO2向四方ZrO2转化时，发生各向异性膨胀，沿三个轴(a、b、c)
膨胀系数是不一致的，沿b轴方向膨胀不明显，而沿a、c轴方向膨胀显著；转化时，晶格参数也随着变化，升温时ZrO2由单斜向四方转化，由于吸收热量，有明显的体积收缩(5％)，而降温时(四方向单斜转化)产生体积膨胀(8％)，这是造成Z码陶瓷的龟裂的原因。ZrO2由单斜开始向四方相转化，转化温度通常在1100～1200℃之间(1163℃)。但在冷却时，t—ZrO2转变为m—ZrO2时由于m—ZrO2新相晶核形成困难，因而转变温度在850～1000℃之间(930℃)。说明ZrO2在930—1170℃之间晶相转变时会出现温度滞后现象。
2：氧化锆复合体的固溶性能和稳定化的作用
研究表明，在ZrO2中添加某些氧化物作为稳定剂(Y203、CaO、Al2O3、Ce02、MgO、Sc203等)，这些氧化物能与ZrO2形成固溶体或复合体，可改变晶体内部结构；添加的氧化物可填充ZrO2中晶格缺陷，抑制ZrO2扭转，起到稳定的作用，在常温形成亚稳的四方相或立方相，使由单一的单斜相变成了双晶结构的四方和立方相。
添加阳离子半径与Zr4+相近(相差在12％以内)、性质相似，它们在ZrO2中的溶解度很大，可以和ZrO2形成单斜、四方和立方等晶型结构的置换性固溶体。
添加阳离子半径比Zr4+大或比Zr4+小，填充和弥散于大的阳离子之中，形成填充式固溶体(或弥散固溶体)。氧化锆稳定的程度与添加阳离子的种类、数量、离子半径和价数有直接的关系。有些氧化物与氧化锆能完全形成固溶体(如ZrO2一Y203)。但有些阳离子氧化物与氧化锫不完全都形成固溶体，而是部分形成固溶体、部分形成化台物(如ZrO2一Al2O3)。
用MgO稳定ZrO2时，在冷却至1400℃以下时。会重新分解为四方ZrO2和MgO。继续冷却至900℃时，分解出来的ZrO2仍然会向单斜ZrO2转变。所以MgO稳定的ZrO2不能在900～1400℃之间长时间加热，否则会失去稳定作用。稳定剂可单独使用，也可以混合使用(二元或三元)。多元的部分稳定氧化锆可以大大提高结构陶瓷的性能。
3、氧化锆的增韧
根据研究．四方相氧化锆具有增韧的特性。这是氧化锆作为结构陶瓷的理论依据，增韧的基本原理是四方相氧化话受外力(温度和应力>的影响，氧化锫从四方结构向单斟结构转变时产生效应，吸收破坏的能量，抑制裂纹的变化和延伸。此变化称为马氏体转变，起着增韧的作用。氧化错相变可分为烧成冷却过程中相变和使用过程中相变，前者是温度透导，后者是应力诱导。
ZrO2增韧机制很复杂。一般认为：单个ZrO2晶体，自由实现t—ZrO2向m—ZrO2的转变，产生是无约束状态下的相转变。实际上，含有基体的氧化锫复合体在t—Zr02向m—ZrO2的转变伴随着体积膨胀，转变将受到基体不弱程度的抑制，除了最外表面的晶体外，其余的晶体都技包围在基体中，这时发生的转变为约束状态下的转变。
当基体对t—ZrO2向m—ZrO2转变时有很大的阻力，单斜品比四方晶有更高的自由能，转变不可能发生。四方晶可以保存下来。当有外力作用时，部分解除了基体的约束力，转交可以进行。此时转变称为应力诱发相转变。
认为在ZrO2中添如二种以上的氧化物更使晶体内部结构多样化，增韧效果更好。如ZrO2中掺杂PbO、Tio2(PZT)La2O3，等。另一种是把氧化锆添加到其它氧化物中，从而达到氧化锫增韧的效果，如Z如加人到Si3N4SiC(非金属氧化物)中，可以提高陶瓷的绝热性和耐磨性等。
t—ZrO2向m—ZrO2转变对发生体积变化和剪切，在转变粒子的周围形成许多小于临界尺寸的微裂纹。若t—ZrO2的粒径大子临界直径，在烧结后冷却过程中，t—ZrO2便会转化成m—Zr02。形成的微裂纹含在介稳t—ZrO2粒子的基体中，由于主裂纹前端应力场的作用，松驰了约束力，产生诱发相变，形成微裂纹相变所伴随的体积彩联和剪切应变能变化，使m一Al2O3产生大量微裂纹积傲裂纹核，在这些微裂纹处于主裂纹前端作用区时，吸收或释放主裂纹的一部分能量，增加主裂纹扩展所需能量，减少主裂纹端部的应力集中，撺制主裂纹的扩展，从而提高了材料的韧性。当大的裂纹在外界应力作用下扩展遇到这些微裂纹对将诱发新的相变，并使扩展裂纹转向而吸收能量，这种韧化机制叫微裂纹增韧机制。
微裂纹是由于ZrO2与基质的热膨胀系数失配而产生的。因而基质的热膨胀系数是很重要的参数。热膨胀系数大而接近Zr02的值，可能不会形成微裂纹；热膨胀系数太小，则可能形成大的裂纹而降低材料的强度和韧性。增韧效果随Zr02晶粒尺寸的减小和Z她体积分数的增大而增大。但Zr02加入量过多和过少都不行。Z鹏颗粒在基质中的分布应尽量均匀，否则若产生的微裂纹局部集中，则会损害材料的强度和韧性。
在复合材料中，若颗粒尺寸分布较广，粒径较大的t—ZrO2酋先转变成m—ZrO2，便产生较大的应力，使某些晶界变弱和分离，在主裂纹端部产生微裂纹区，它与主裂纹之间的相互作用使主裂纹产生分支，并使封闭的晶界开口或伸展，吸收了能量，缓和了主裂纹端郝的集中应力，周时裂纹路径的倾斜与弯曲也增加了断裂表面积，因而提高了材料的韧性。研究发现。在两相或多相材料中，由于相性质失配而引起裂纹在外加粒子周围发生倾斜与弯曲，降低了裂纹扩展的驱动力，从而产生增韧。ZrO2弥散粒子的加入就象销一样锁住裂纹前端，阻止裂纹的进一步扩展。起着增韧的作用，这种增韧机理也称”针扎作用”.
杂质对氧化锆结构陶瓷韧性的影响很大。在ZrO2中经常含有杂质是Fe203、Ti02、Al2O3、SiO2、P205等．添加A Al2O3，大大提高抗压强度．当添加到5wt％时，热冲击性能将下降；添加P205，也可提高抗压强度，然而热冲击性能明显下降；Si02、Ti02是酸性氧化物，在稳定ZrO2中，它们会与碱性稳定CaO、MaO形成化合物。降低稳定性能，即降低陶瓷的韧性和强度；Fe203、Si02对稳定ZrO2有明显的影响，即抗压强度明显下降。在氧化锫增韧的Al2O3中发现，添加四方氧化锆和立方氧化锆的Al2O3，在基体的晶粒大小和单相Al2O3的晶粒大小相近．不改变裂纹尺寸的情况下，断裂韧性都提高。立方氧化锫的韧化效果同第二粒子的弥散韧化作用有关。没有相变韧化作用的立方氧化锆的韧化作用是由于裂纹在前进时避开了第二相硬质点，使裂纹扩展路径曲折、分叉而吸收更多能量。提高了韧性。因此．四方氧化锆颗粒对陶瓷基体的韧化，除了相变韧化机制之外，还有第二相质点的弥散韧化机制。
四、氧化锆的应用
在陶瓷常用的釉用和坯用色料中，锆系色料占有重要地位，如锆系三原色色料锆钒蓝(Zr、V)SiO一、锆镨黄(Zr、Pr)SiOa、锆铁红(Zr、Fe)SiO，，它们分别占到陶瓷釉用色料用量的第五、六、七位和陶瓷坯用色料用量的第六、八、九位。在锆系色料锆钒蓝、锆镨黄和锆铁红中，锆铁红最难合成，它们配方中，二氧化锆是主要原料，均要用剑一半以上，其中锆钒监最易合成；锆镨黄次之，它们用的是脱硅电熔锆，但合成锆铁红则要求用化学锆，究其原凶，是因为化学锆的活性好，能促进铁进入锆英石晶格和晶粒问。由于氧化锆和氧化镨能与矿化剂反应并以气态形式扩散到反应带，与此同时_：氧化锆和二：氧化硅生成错英石，钒或镨nd时j占
2：氧化锆复合体的固溶性能和稳定化的作用
研究表明，在ZrO2中添加某些氧化物作为稳定剂(Y203、CaO、Al2O3、Ce02、MgO、Sc203等)，这些氧化物能与ZrO2形成固溶体或复合体，可改变晶体内部结构；添加的氧化物可填充ZrO2中晶格缺陷，抑制ZrO2扭转，起到稳定的作用，在常温形成亚稳的四方相或立方相，使由单一的单斜相变成了双晶结构的四方和立方相。
添加阳离子半径与Zr4+相近(相差在12％以内)、性质相似，它们在ZrO2中的溶解度很大，可以和ZrO2形成单斜、四方和立方等晶型结构的置换性固溶体。
添加阳离子半径比Zr4+大或比Zr4+小，填充和弥散于大的阳离子之中，形成填充式固溶体(或弥散固溶体)。氧化锆稳定的程度与添加阳离子的种类、数量、离子半径和价数有直接的关系。有些氧化物与氧化锆能完全形成固溶体(如ZrO2一Y203)。但有些阳离子氧化物与氧化锫不完全都形成固溶体，而是部分形成固溶体、部分形成化台物(如ZrO2一Al2O3)。
用MgO稳定ZrO2时，在冷却至1400℃以下时。会重新分解为四方ZrO2和MgO。继续冷却至900℃时，分解出来的ZrO2仍然会向单斜ZrO2转变。所以MgO稳定的ZrO2不能在900～1400℃之间长时间加热，否则会失去稳定作用。稳定剂可单独使用，也可以混合使用(二元或三元)。多元的部分稳定氧化锆可以大大提高结构陶瓷的性能。
3、氧化锆的增韧
根据研究．四方相氧化锆具有增韧的特性。这是氧化锆作为结构陶瓷的理论依据，增韧的基本原理是四方相氧化话受外力(温度和应力>的影响，氧化锫从四方结构向单斟结构转变时产生效应，吸收破坏的能量，抑制裂纹的变化和延伸。此变化称为马氏体转变，起着增韧的作用。氧化错相变可分为烧成冷却过程中相变和使用过程中相变，前者是温度透导，后者是应力诱导。
ZrO2增韧机制很复杂。一般认为：单个ZrO2晶体，自由实现t—ZrO2向m—ZrO2的转变，产生是无约束状态下的相转变。实际上，含有基体的氧化锫复合体在t—Zr02向m—ZrO2的转变伴随着体积膨胀，转变将受到基体不弱程度的抑制，除了最外表面的晶体外，其余的晶体都技包围在基体中，这时发生的转变为约束状态下的转变。
当基体对t—ZrO2向m—ZrO2转变时有很大的阻力，单斜品比四方晶有更高的自由能，转变不可能发生。四方晶可以保存下来。当有外力作用时，部分解除了基体的约束力，转交可以进行。此时转变称为应力诱发相转变。
认为在ZrO2中添如二种以上的氧化物更使晶体内部结构多样化，增韧效果更好。如ZrO2中掺杂PbO、Tio2(PZT)La2O3，等。另一种是把氧化锆添加到其它氧化物中，从而达到氧化锫增韧的效果，如Z如加人到Si3N4SiC(非金属氧化物)中，可以提高陶瓷的绝热性和耐磨性等。
t—ZrO2向m—ZrO2转变对发生体积变化和剪切，在转变粒子的周围形成许多小于临界尺寸的微裂纹。若t—ZrO2的粒径大子临界直径，在烧结后冷却过程中，t—ZrO2便会转化成m—Zr02。形成的微裂纹含在介稳t—ZrO2粒子的基体中，由于主裂纹前端应力场的作用，松驰了约束力，产生诱发相变，形成微裂纹相变所伴随的体积彩联和剪切应变能变化，使m一Al2O3产生大量微裂纹积傲裂纹核，在这些微裂纹处于主裂纹前端作用区时，吸收或释放主裂纹的一部分能量，增加主裂纹扩展所需能量，减少主裂纹端部的应力集中，撺制主裂纹的扩展，从而提高了材料的韧性。当大的裂纹在外界应力作用下扩展遇到这些微裂纹对将诱发新的相变，并使扩展裂纹转向而吸收能量，这种韧化机制叫微裂纹增韧机制。
微裂纹是由于ZrO2与基质的热膨胀系数失配而产生的。因而基质的热膨胀系数是很重要的参数。热膨胀系数大而接近Zr02的值，可能不会形成微裂纹；热膨胀系数太小，则可能形成大的裂纹而降低材料的强度和韧性。增韧效果随Zr02晶粒尺寸的减小和Z她体积分数的增大而增大。但Zr02加入量过多和过少都不行。Z鹏颗粒在基质中的分布应尽量均匀，否则若产生的微裂纹局部集中，则会损害材料的强度和韧性。
在复合材料中，若颗粒尺寸分布较广，粒径较大的t—ZrO2酋先转变成m—ZrO2，便产生较大的应力，使某些晶界变弱和分离，在主裂纹端部产生微裂纹区，它与主裂纹之间的相互作用使主裂纹产生分支，并使封闭的晶界开口或伸展，吸收了能量，缓和了主裂纹端郝的集中应力，周时裂纹路径的倾斜与弯曲也增加了断裂表面积，因而提高了材料的韧性。研究发现。在两相或多相材料中，由于相性质失配而引起裂纹在外加粒子周围发生倾斜与弯曲，降低了裂纹扩展的驱动力，从而产生增韧。ZrO2弥散粒子的加入就象销一样锁住裂纹前端，阻止裂纹的进一步扩展。起着增韧的作用，这种增韧机理也称”针扎作用”.
杂质对氧化锆结构陶瓷韧性的影响很大。在ZrO2中经常含有杂质是Fe203、Ti02、Al2O3、SiO2、P205等．添加A Al2O3，大大提高抗压强度．当添加到5wt％时，热冲击性能将下降；添加P205，也可提高抗压强度，然而热冲击性能明显下降；Si02、Ti02是酸性氧化物，在稳定ZrO2中，它们会与碱性稳定CaO、MaO形成化合物。降低稳定性能，即降低陶瓷的韧性和强度；Fe203、Si02对稳定ZrO2有明显的影响，即抗压强度明显下降。在氧化锫增韧的Al2O3中发现，添加四方氧化锆和立方氧化锆的Al2O3，在基体的晶粒大小和单相Al2O3的晶粒大小相近．不改变裂纹尺寸的情况下，断裂韧性都提高。立方氧化锫的韧化效果同第二粒子的弥散韧化作用有关。没有相变韧化作用的立方氧化锆的韧化作用是由于裂纹在前进时避开了第二相硬质点，使裂纹扩展路径曲折、分叉而吸收更多能量。提高了韧性。因此．四方氧化锆颗粒对陶瓷基体的韧化，除了相变韧化机制之外，还有第二相质点的弥散韧化机制。
四、氧化锆的应用
在陶瓷常用的釉用和坯用色料中，锆系色料占有重要地位，如锆系三原色色料锆钒蓝(Zr、V)SiO一、锆镨黄(Zr、Pr)SiOa、锆铁红(Zr、Fe)SiO，，它们分别占到陶瓷釉用色料用量的第五、六、七位和陶瓷坯用色料用量的第六、八、九位。在锆系色料锆钒蓝、锆镨黄和锆铁红中，锆铁红最难合成，它们配方中，二氧化锆是主要原料，均要用剑一半以上，其中锆钒监最易合成；锆镨黄次之，它们用的是脱硅电熔锆，但合成锆铁红则要求用化学锆，究其原凶，是因为化学锆的活性好，能促进铁进入锆英石晶格和晶粒问。由于氧化锆和氧化镨能与矿化剂反应并以气态形式扩散到反应带，与此同时_：氧化锆和二：氧化硅生成错英石，钒或镨nd时j占