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氧化锆含量对ZTA陶瓷力学性能的影响
与金属材料相比，陶瓷材料具有很多优异的性能，如高硬度、耐磨损、耐高温和耐腐蚀等，在航天、航空及机械工业中都有广泛的应用。但在这种特殊的使用环境下，材料的失效通常因为断裂韧性处于中低水平。为了提高陶瓷材料在实际应用中的可靠性、拓宽其实际的使用范围，设计强度高、韧性好的陶瓷材料，成为了材料学界一个重要的研究方向。目前，氧化锆增韧氧化铝陶瓷因其经济、有效而备受关注。本文分别制备 ZrO2 含量不同的 ZTA，研究了 ZrO2 含量对 ZTA 力学性能的影响。
与金属材料相比，陶瓷材料具有很多优异的性能，如高硬度、耐磨损、耐高温和耐腐蚀等，在航天、航空及机械工业中都有广泛的应用。但在这种特殊的使用环境下，材料的失效通常因为断裂韧性处于中低水平。为了提高陶瓷材料在实际应用中的可靠性、拓宽其实际的使用范围，设计强度高、韧性好的陶瓷材料，成为了材料学界一个重要的研究方向。目前，氧化锆增韧氧化铝陶瓷因其经济、有效而备受关注。本文分别制备 ZrO2 含量不同的 ZTA，研究了 ZrO2 含量对 ZTA 力学性能的影响。
2 试验原理及过程
本实验分别制备 ZrO2 含量为 5%和 50%的 ZTA。采用液相共沉淀法，以氯氧锆、氯化钇为原料，加入 PEG 分散剂，以氨水作为沉淀剂，得到 Y2O3 钇稳定氧化锆的前驱体 Y-Zr(OH)4，接着经过六次蒸馏水洗涤和两次无水乙醇洗涤后得到较纯净的前驱体浆料，再按比例混合氧化铝粉体，以转速 6r/min 球磨 12h 后，进行旋转蒸发、干燥、等静压造粒、研磨过筛，再以 5℃/min 的升温速率烧至 700℃、保温 0.5 小时，得到氧化铝 - 氧化锆复合粉体。粉体经过 30MPa 干压成型和 200MPa 等静压后，以10℃/min 的升温速率烧至1550℃、保温 2 小时得到ZTA 陶瓷材料。
本实验反应方程式如下：
ZrOCl2+4NH3·H2O→Zr(OH)4↓+2NH4Cl+2NH3+H2O
YCl3+3NH3·H2O→Y(OH)3↓+3NH4Cl
3 ZTA 材料的性能分析
3.1 XR D 相组成分析
如图 1 所示，5%ZrO2 的 ZTA 抛光表面只有氧化铝和四方相氧化锆，而单斜相氧化锆的含量几乎为零。这首先是因为氧化锆的掺入量少，其次是四方相氧化锆受到氧化铝基体的抑制，导致四方相氧化锆的尺寸小于相变
临界尺寸（约为 0.7μm[1]），使绝大部分氧化锆在常温下以四方相稳定存在。而当试件断裂后，断面上出现了单斜相氧化锆，这是因为所施加的荷载达到了相变的临界应力，氧化锆发生四方相到单斜相的转变。这个过程伴随体积膨胀和剪切应力，同时消耗了能量，对材料的强韧化起到关键作用。
如图 1 所示，50%ZrO2 的 ZTA 抛光表面存在少量的单斜相氧化锆，这是因为氧化锆含量的增多意味着氧化铝含量的减少，削弱了氧化铝基体对四方相氧化锆相变的抑制作用。抛光表面上单斜相氧化锆的出现有两个途径：
①从高温下冷却时四方相氧化锆发生相变；
②对试件进行磨平、抛光加工时，外力使四方相氧化锆相变成单斜相氧化锆。如图 1 所示，50%的 ZTA 断口处的单斜相氧化锆含量增加（这可以对比 2θ=26°的氧化铝峰高得出），这表明在应力作用下，四方相氧化锆有一定的相变量，氧化锆的掺入能起到一定的增强增韧作用。
3.2氧化锆珠密度分析
如表氧化锆珠1氧化锆珠所示，5%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠相对密度为氧化锆珠97.6%，50%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠相对密度为氧化锆珠94.2%；50%的氧化锆珠ZTA氧化锆珠相对密度偏低，这表明了氧化锆珠B氧化锆珠组试样致密度较低，孔隙率较高。造成这个现象的原因可能是水洗、混料和旋蒸过程掺入了少量有机杂质，但最主要的原因可能是过烧。烧成温度为1550℃，此温度由氧化锆珠Al2O3、15%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠和氧化锆珠20%ZrO2氧化锆珠的ZTA氧化锆珠确定，由于此方法制得的氧化锆属于纳米级，其表面能较大，增加了烧结活化能，在一定程度上对氧化铝有助熔作用。50%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠中氧化锆含量较大，使烧结温度降低。晶界处的活化能较高，此处的烧结温度较低，容易出现液相，导致气体不易排出[1]，故在晶界处残留了气泡，这在氧化锆珠SEM氧化锆珠照片中得到了佐证。
3.3氧化锆珠SEM氧化锆珠分析
3.3.1氧化锆珠表面氧化锆珠SEM氧化锆珠形貌Al2O3-5%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠试样的表面形貌如图氧化锆珠2氧化锆珠(a)～(d)所示。图氧化锆珠2(c)、(d)为背散射电子图像，原子序数越大，该元素在背散射电子图像中的颜色越亮，可辨认出亮色的小颗粒为氧化锆，深色的大颗粒为氧化铝。氧化锆在氧化铝中分散均匀。氧化铝晶体作为氧化锆珠ZTA氧化锆珠的基体尺寸较大，平均约氧化锆珠2μm；氧化锆晶体尺寸较小，大部分小于氧化锆珠300nm。氧化锆颗粒以两种形式弥散分布于氧化铝基体中，大部分分布于氧化铝的晶界上，其余少量氧化锆分布于氧化铝的晶体内部，形成内晶型氧化锆，其对ZTA氧化锆珠材料的强韧化起到一定的作用。陶瓷中的内晶型结构会导致纳米化效应[2-3]。由于氧化锆珠Al2O3氧化锆珠晶体的尺寸处于纳米级，与基体颗粒存在数量级的差异Al2O3氧化锆珠在一定温度下会以纳米氧化锆珠ZrO2氧化锆珠为核发生致密化，从而使氧化锆珠ZrO2氧化锆珠被包裹在氧化锆珠Al2O3氧化锆珠中。因此材料中除了氧化锆珠Al2O3氧化锆珠之间的主晶界外，还形成氧化锆珠ZrO2氧化锆珠与氧化锆珠Al2O3氧化锆珠之间的次晶界和微裂纹。
Al2O3-50%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠试样的表面形貌，如图氧化锆珠3(a)～(d)所示，氧化铝和氧化锆相互分散，同时在晶界处有很多气孔产生。氧化锆的尺寸几乎没变，而氧化铝晶体的尺寸明显变小了，平均约为氧化锆珠1.5μm，减小约氧化锆珠25%。氧化铝尺寸减小的原因是氧化锆含量的增多对氧化铝晶体的生长产生抑制作用。另外还可以发现，氧化铝晶体中几乎没有内晶型氧化锆的出现，这是因为氧化锆含量的增多，使氧化锆容易形成团聚体，而团聚体的尺寸大约与氧化铝晶体同在一个数量级，所以氧化铝晶体不会以氧化锆为核进行生长。从另一角度看，氧化铝晶体的生长受到限制，因此也降低了对氧化锆进行包裹的可能性，这也导致了内晶型氧化锆的严重减少SEM 照片。如图所示，大部分氧化铝的断裂方式为穿晶断裂，其余为沿晶断裂。氧化铝穿晶断裂的原因与内晶型氧化锆的结构有关。正如前面提到的，由于氧化锆与氧化铝之间存在次晶界和微裂纹，且两种颗粒存在弹性模量和热膨胀系数不适配，在主晶界处产生压应力，而在次晶界处产生局部切应力，大大增加了诱发穿晶断裂的几率。
3.3.2 断口 SEM 形貌图 4 (a)～(d) 为 Al2O3-5%ZrO2 的 ZTA 试样断口的SEM 照片。如图所示，大部分氧化铝的断裂方式为穿晶断裂，其余为沿晶断裂。氧化铝穿晶断裂的原因与内晶型氧化锆的结构有关。正如前面提到的，由于氧化锆与氧化铝之间存在次晶界和微裂纹，且两种颗粒存在弹性模量和热膨胀系数不适配，在主晶界处产生压应力，而在次晶界处产生局部切应力，大大增加了诱发穿晶断裂的几率。
Al2O3-50%ZrO2 的 ZTA 试样断口的形貌如图 5(a)～(b)所示。断裂方式有穿晶断裂和沿晶断裂。大晶体的氧化铝多为穿晶断裂，小晶体的氧化锆多为沿晶断裂。因为大晶体穿晶断裂所需要的能量小于沿晶断裂所需要的能量，而小晶体沿晶断裂所需要的能量小于穿晶断裂所需要的能量。所以，鉴于氧化铝晶体尺寸较大，无论5%还是 50%的样品，氧化铝基体的断裂方式都存在穿晶断裂。
3.4 维氏硬度分析
如表 2 所示，随着氧化锆含量的增加，ZTA 的硬度变小。这主要是因为氧化铝的硬度大于氧化锆（氧化铝的硬度范围在 17-20 GPa，四方相氧化锆的硬度范围在12～14 GPa），ZTA 复合陶瓷材料的硬度可以看作两种物质的硬度的线性叠加[4]。而且，氧化铝晶粒细化，有助于晶粒间的滑移，因此塑性变形增大[2,3]，硬度随着氧化锆含量增加而下降。另外，由于 B 组孔隙率较高，所以硬度也受到不良影响。因为气孔的存在，在相同的荷载作用下，材料表面更加容易发生变形，从而导致硬度急剧下降。
如图 6 所示，5%的 ZTA 的压痕面积明显比 50%的ZTA 的压痕面积小，也直观地说明了随着氧化锆含量的增多，ZTA 的硬度下降。
3.5 强度分析
如表 3 所示，随着氧化锆含量的增加，ZTA 的强度也随之增大。这是因为四方相氧化锆相变量的增加所起到的作用。根据应力诱导相变增韧的机理，当应力达到相变临界应力时，四方相氧化锆会相变形成单斜相氧化锆，吸收了断裂能，而且伴随 4%的体积膨胀产生的压应力又对裂纹产生了闭合作用。另外，氧化锆的增多能促进晶粒细化，界面增加，裂纹的扩展路径延长且阻力增加，从而强度也有所提高。然而，B 组比 A 组强度只增加了 6.7%，增幅不大。从密度测试结果可知，B 组的相对密度比 A 组的小，表明 B 组的孔隙率较大。气孔是应力集中的地方，孔隙率高会导致裂纹更容易被诱导而扩展，当超过断裂的临界裂纹尺寸时，试件断裂。因此孔隙率高会大大降低材料的力学性能。氧化锆的掺入能够引起ZTA 强度的增大，而气孔却使 ZTA 的强度下降，两者的综合作用下，ZTA 的强度增幅不大。
3.6 断裂韧性分析
实验采用单边切口梁法（SENB 法）测试 ZTA 的断裂韧性。测试结果如表 4 所示，随着氧化锆含量的增多，ZTA 的断裂韧性随之增大。氧化锆含量的增多，弱化了基体对四方相氧化锆的抑制作用，使 ZrO2 的相变更容易发生，在应力诱导下可能有更多的 ZrO2 发生相变。相变发生体积膨胀，其产生的压应力总和随着氧化锆含量的增加而增加，因此晶界处和晶体内部所受的压应力增加，使裂纹扩展受到更大的阻力。另外，氧化锆含量的增多，促进了晶粒细化，晶界也随之增加，因此延长了裂纹沿晶扩展的路径，消耗更多断裂能，从而使试件延迟断裂，表现为断裂韧性的增大。
目前 SENB 法测断裂韧性普遍采用的切口宽度为200μm，而本实验中 ZTA 试件的切口宽度约为 100μm。切口的宽度对断裂韧性的准确性有一定的影响。切口越宽，容易产生钝化效应，使断裂韧性值偏高；切口宽度越接近材料中裂纹的宽度，所得的断裂韧性值也就越真实。所以本实验测出来的断裂韧性值较能真实地反映出材料抵抗裂纹扩展的能力。目前没有推广采用 100μm的切口，原因是所使用的刀片价格昂贵，并且使用寿命不高。
4 试验结果与分析
⑴本文通过液相共沉淀法制备钇稳定氧化锆混合溶胶前驱体，再与氧化铝粉体混合、煅烧制得氧化锆含量分别为 5%和 50%的 ZTA 复合陶瓷粉体。经等静压成型后，在 1550℃保温 2 小时烧结，得到了 ZTA 陶瓷样品。
⑵5%ZrO2 的 ZTA 与 50%ZrO2 的 ZTA 的相对密度分别达到 97.6%和 94.2%，50%ZrO2 的 ZTA 的相对密度较低，有可能是过烧导致的。
⑶SEM 分析表明 ZTA 中氧化锆晶体的尺寸处于纳米级且均匀分散。随着氧化锆含量的增加，氧化铝晶体的生长受到限制，氧化铝晶体尺寸减小，这有利于强度和断裂韧性的提高。氧化铝晶体的断裂方式多为穿晶断裂，氧化锆晶体的断裂方式多为沿晶断裂。
5 结论
虽然力学性能测试的数据并不理想，但仍能体现出氧化锆含量对 ZTA 性能的影响。50%ZrO2 的 ZTA 与 5%ZrO2 的 ZTA 相比，强度和断裂韧性都有一定程度的提高，表明了氧化锆的掺入起到了强韧化作用；XRD 表明了 ZTA 的强韧化与氧化锆的相变有关。硬度降幅较大，主要原因是氧化铝含量减少，除此还与气孔对硬度的减弱作用有关。
6 不足与展望
由于本人能力有限，以及实验时间有限，导致实验数据不太理想。此外，本实验存在几方面不足：
⑴本实验的工艺过程繁多，物料在水洗、混料和旋蒸等过程可能掺入了少量杂质，从而影响了 ZTA 的力学
性能。在保证实验变量一样的情况下，工艺过程应尽可能优化从简。
⑵由于本实验制备的纳米级氧化锆能降低烧成温度，ZTA 在 1550℃下可能过烧。此烧成温度由氧化铝、15%ZrO2 的 ZTA 和 20%ZrO2 的 ZTA 确定。因此下一步工作要制备多组 50%ZrO2 的 ZTA，在几个不同的烧成温度下烧成，以确定 50%ZrO2 的 ZTA 最佳的烧成温度。
⑶关于氧化锆含量对 ZTA 材料力学性能的影响的定量分析不够，因此还有待进一步研究。
从评价数值可以看出，同比同击实次数下，掺入了旧料的热拌再生沥青混合料的评价系数不断的下降，下降的幅度大概在 5%。其中在击实次数在 80 次之前，掺入旧料的再生沥青混合料的评价数值较新料有较大的下降；而在击实次数在 80 次之后，这种变化的数值差值趋于平缓，说明了 80 次击实功之前，旧料的压实较新料更容易压实。因为规范里的马歇尔试件作用功为双面75 下击实，所以也可以认为在施工不超压实状态下，掺入旧料的再生沥青混合料较新料更易于压实。而对比温拌再生沥青混合料和热拌再生沥青混合料的评价数值，可以发现在 80 次压实前后，温拌再生沥青混合料的数值均较低，即温拌再生沥青混合料在施工压实全过程的易压实程度均高于热拌再生沥青混合料。且易于压实的热拌再生沥青混合料和温拌再生沥青混合料表现出来的压实特性，猜想可能由于以下的原因造成。第一，由于本文采用的新沥青为壳牌改性沥青，它的沥青黏度较高，而本文使用的回收旧料中的旧沥青的 135℃运动黏度是低于改性沥青的，所以在一定的程度可以认为是旧沥青在一定的程度上为再生沥青混合料的沥青起到降黏作用。其二，本文采用分档后刨铣旧料作为掺入原料，而刨铣料的一大特点是旧集料和旧沥青是粘附在一起形成一个整体的。新沥青混合料压实过程中压实功的耗散可以分为沥青和集料的粘附作用的耗能和集料和集料嵌挤作用的耗能，而再生沥青混合料的原料中由于有旧料的掺入，部分沥青和集料的耗能被节约了，从而使得再生沥青混合料表现出易于压实的特性。而温拌再生沥青混合料较好的压实特性则可以从沥青的降黏来说明，较低的沥青黏度使得沥青和集料的粘附作用耗能降低，同时集料和集料由于低粘度沥青的作用，集料间的嵌挤耗能也有极大的下降，所以表现出相对于热拌再生沥青混合料更优越的压实特性。
5 结论
通过对温拌再生沥青混合料和热拌再生沥青混合料的马歇尔变击实实验的研究，可以发现温拌再生沥青混合料具有以下的压实特点：
⑴掺入旧料的热拌再生沥青混合料的压实特性较新料的压实特性优越，掺入旧料的再生沥青混合料较新料易于压实。
⑵在施工不超压的情况下，再生沥青混合料的压实程度好于新料，但是在超压之后，再生沥青混合料的压实特性和新沥青混合料相差无几。
⑶采用数值对压实特性进行分析，发现温拌再生沥青混合料的全过程压实特性均优于热拌再生沥青混合料，温拌再生沥青混合料可以使得全施工再生沥青路面材料压实情况变的优秀，压实提高度可以达到 10%～
50%。
2 试验原理及过程
本实验分别制备 ZrO2 含量为 5%和 50%的 ZTA。采用液相共沉淀法，以氯氧锆、氯化钇为原料，加入 PEG 分散剂，以氨水作为沉淀剂，得到 Y2O3 钇稳定氧化锆的前驱体 Y-Zr(OH)4，接着经过六次蒸馏水洗涤和两次无水乙醇洗涤后得到较纯净的前驱体浆料，再按比例混合氧化铝粉体，以转速 6r/min 球磨 12h 后，进行旋转蒸发、干燥、等静压造粒、研磨过筛，再以 5℃/min 的升温速率烧至 700℃、保温 0.5 小时，得到氧化铝 - 氧化锆复合粉体。粉体经过 30MPa 干压成型和 200MPa 等静压后，以10℃/min 的升温速率烧至1550℃、保温 2 小时得到ZTA 陶瓷材料。
本实验反应方程式如下：
ZrOCl2+4NH3·H2O→Zr(OH)4↓+2NH4Cl+2NH3+H2O
YCl3+3NH3·H2O→Y(OH)3↓+3NH4Cl
3 ZTA 材料的性能分析
3.1 XR D 相组成分析
如图 1 所示，5%ZrO2 的 ZTA 抛光表面只有氧化铝和四方相氧化锆，而单斜相氧化锆的含量几乎为零。这首先是因为氧化锆的掺入量少，其次是四方相氧化锆受到氧化铝基体的抑制，导致四方相氧化锆的尺寸小于相变
临界尺寸（约为 0.7μm[1]），使绝大部分氧化锆在常温下以四方相稳定存在。而当试件断裂后，断面上出现了单斜相氧化锆，这是因为所施加的荷载达到了相变的临界应力，氧化锆发生四方相到单斜相的转变。这个过程伴随体积膨胀和剪切应力，同时消耗了能量，对材料的强韧化起到关键作用。
如图 1 所示，50%ZrO2 的 ZTA 抛光表面存在少量的单斜相氧化锆，这是因为氧化锆含量的增多意味着氧化铝含量的减少，削弱了氧化铝基体对四方相氧化锆相变的抑制作用。抛光表面上单斜相氧化锆的出现有两个途径：
①从高温下冷却时四方相氧化锆发生相变；
②对试件进行磨平、抛光加工时，外力使四方相氧化锆相变成单斜相氧化锆。如图 1 所示，50%的 ZTA 断口处的单斜相氧化锆含量增加（这可以对比 2θ=26°的氧化铝峰高得出），这表明在应力作用下，四方相氧化锆有一定的相变量，氧化锆的掺入能起到一定的增强增韧作用。
3.2氧化锆珠密度分析
如表氧化锆珠1氧化锆珠所示，5%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠相对密度为氧化锆珠97.6%，50%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠相对密度为氧化锆珠94.2%；50%的氧化锆珠ZTA氧化锆珠相对密度偏低，这表明了氧化锆珠B氧化锆珠组试样致密度较低，孔隙率较高。造成这个现象的原因可能是水洗、混料和旋蒸过程掺入了少量有机杂质，但最主要的原因可能是过烧。烧成温度为1550℃，此温度由氧化锆珠Al2O3、15%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠和氧化锆珠20%ZrO2氧化锆珠的ZTA氧化锆珠确定，由于此方法制得的氧化锆属于纳米级，其表面能较大，增加了烧结活化能，在一定程度上对氧化铝有助熔作用。50%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠中氧化锆含量较大，使烧结温度降低。晶界处的活化能较高，此处的烧结温度较低，容易出现液相，导致气体不易排出[1]，故在晶界处残留了气泡，这在氧化锆珠SEM氧化锆珠照片中得到了佐证。
3.3氧化锆珠SEM氧化锆珠分析
3.3.1氧化锆珠表面氧化锆珠SEM氧化锆珠形貌Al2O3-5%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠试样的表面形貌如图氧化锆珠2氧化锆珠(a)～(d)所示。图氧化锆珠2(c)、(d)为背散射电子图像，原子序数越大，该元素在背散射电子图像中的颜色越亮，可辨认出亮色的小颗粒为氧化锆，深色的大颗粒为氧化铝。氧化锆在氧化铝中分散均匀。氧化铝晶体作为氧化锆珠ZTA氧化锆珠的基体尺寸较大，平均约氧化锆珠2μm；氧化锆晶体尺寸较小，大部分小于氧化锆珠300nm。氧化锆颗粒以两种形式弥散分布于氧化铝基体中，大部分分布于氧化铝的晶界上，其余少量氧化锆分布于氧化铝的晶体内部，形成内晶型氧化锆，其对ZTA氧化锆珠材料的强韧化起到一定的作用。陶瓷中的内晶型结构会导致纳米化效应[2-3]。由于氧化锆珠Al2O3氧化锆珠晶体的尺寸处于纳米级，与基体颗粒存在数量级的差异Al2O3氧化锆珠在一定温度下会以纳米氧化锆珠ZrO2氧化锆珠为核发生致密化，从而使氧化锆珠ZrO2氧化锆珠被包裹在氧化锆珠Al2O3氧化锆珠中。因此材料中除了氧化锆珠Al2O3氧化锆珠之间的主晶界外，还形成氧化锆珠ZrO2氧化锆珠与氧化锆珠Al2O3氧化锆珠之间的次晶界和微裂纹。
Al2O3-50%ZrO2氧化锆珠的氧化锆珠ZTA氧化锆珠试样的表面形貌，如图氧化锆珠3(a)～(d)所示，氧化铝和氧化锆相互分散，同时在晶界处有很多气孔产生。氧化锆的尺寸几乎没变，而氧化铝晶体的尺寸明显变小了，平均约为氧化锆珠1.5μm，减小约氧化锆珠25%。氧化铝尺寸减小的原因是氧化锆含量的增多对氧化铝晶体的生长产生抑制作用。另外还可以发现，氧化铝晶体中几乎没有内晶型氧化锆的出现，这是因为氧化锆含量的增多，使氧化锆容易形成团聚体，而团聚体的尺寸大约与氧化铝晶体同在一个数量级，所以氧化铝晶体不会以氧化锆为核进行生长。从另一角度看，氧化铝晶体的生长受到限制，因此也降低了对氧化锆进行包裹的可能性，这也导致了内晶型氧化锆的严重减少SEM 照片。如图所示，大部分氧化铝的断裂方式为穿晶断裂，其余为沿晶断裂。氧化铝穿晶断裂的原因与内晶型氧化锆的结构有关。正如前面提到的，由于氧化锆与氧化铝之间存在次晶界和微裂纹，且两种颗粒存在弹性模量和热膨胀系数不适配，在主晶界处产生压应力，而在次晶界处产生局部切应力，大大增加了诱发穿晶断裂的几率。
3.3.2 断口 SEM 形貌图 4 (a)～(d) 为 Al2O3-5%ZrO2 的 ZTA 试样断口的SEM 照片。如图所示，大部分氧化铝的断裂方式为穿晶断裂，其余为沿晶断裂。氧化铝穿晶断裂的原因与内晶型氧化锆的结构有关。正如前面提到的，由于氧化锆与氧化铝之间存在次晶界和微裂纹，且两种颗粒存在弹性模量和热膨胀系数不适配，在主晶界处产生压应力，而在次晶界处产生局部切应力，大大增加了诱发穿晶断裂的几率。
Al2O3-50%ZrO2 的 ZTA 试样断口的形貌如图 5(a)～(b)所示。断裂方式有穿晶断裂和沿晶断裂。大晶体的氧化铝多为穿晶断裂，小晶体的氧化锆多为沿晶断裂。因为大晶体穿晶断裂所需要的能量小于沿晶断裂所需要的能量，而小晶体沿晶断裂所需要的能量小于穿晶断裂所需要的能量。所以，鉴于氧化铝晶体尺寸较大，无论5%还是 50%的样品，氧化铝基体的断裂方式都存在穿晶断裂。
3.4 维氏硬度分析
如表 2 所示，随着氧化锆含量的增加，ZTA 的硬度变小。这主要是因为氧化铝的硬度大于氧化锆（氧化铝的硬度范围在 17-20 GPa，四方相氧化锆的硬度范围在12～14 GPa），ZTA 复合陶瓷材料的硬度可以看作两种物质的硬度的线性叠加[4]。而且，氧化铝晶粒细化，有助于晶粒间的滑移，因此塑性变形增大[2,3]，硬度随着氧化锆含量增加而下降。另外，由于 B 组孔隙率较高，所以硬度也受到不良影响。因为气孔的存在，在相同的荷载作用下，材料表面更加容易发生变形，从而导致硬度急剧下降。
如图 6 所示，5%的 ZTA 的压痕面积明显比 50%的ZTA 的压痕面积小，也直观地说明了随着氧化锆含量的增多，ZTA 的硬度下降。
3.5 强度分析
如表 3 所示，随着氧化锆含量的增加，ZTA 的强度也随之增大。这是因为四方相氧化锆相变量的增加所起到的作用。根据应力诱导相变增韧的机理，当应力达到相变临界应力时，四方相氧化锆会相变形成单斜相氧化锆，吸收了断裂能，而且伴随 4%的体积膨胀产生的压应力又对裂纹产生了闭合作用。另外，氧化锆的增多能促进晶粒细化，界面增加，裂纹的扩展路径延长且阻力增加，从而强度也有所提高。然而，B 组比 A 组强度只增加了 6.7%，增幅不大。从密度测试结果可知，B 组的相对密度比 A 组的小，表明 B 组的孔隙率较大。气孔是应力集中的地方，孔隙率高会导致裂纹更容易被诱导而扩展，当超过断裂的临界裂纹尺寸时，试件断裂。因此孔隙率高会大大降低材料的力学性能。氧化锆的掺入能够引起ZTA 强度的增大，而气孔却使 ZTA 的强度下降，两者的综合作用下，ZTA 的强度增幅不大。
3.6 断裂韧性分析
实验采用单边切口梁法（SENB 法）测试 ZTA 的断裂韧性。测试结果如表 4 所示，随着氧化锆含量的增多，ZTA 的断裂韧性随之增大。氧化锆含量的增多，弱化了基体对四方相氧化锆的抑制作用，使 ZrO2 的相变更容易发生，在应力诱导下可能有更多的 ZrO2 发生相变。相变发生体积膨胀，其产生的压应力总和随着氧化锆含量的增加而增加，因此晶界处和晶体内部所受的压应力增加，使裂纹扩展受到更大的阻力。另外，氧化锆含量的增多，促进了晶粒细化，晶界也随之增加，因此延长了裂纹沿晶扩展的路径，消耗更多断裂能，从而使试件延迟断裂，表现为断裂韧性的增大。
目前 SENB 法测断裂韧性普遍采用的切口宽度为200μm，而本实验中 ZTA 试件的切口宽度约为 100μm。切口的宽度对断裂韧性的准确性有一定的影响。切口越宽，容易产生钝化效应，使断裂韧性值偏高；切口宽度越接近材料中裂纹的宽度，所得的断裂韧性值也就越真实。所以本实验测出来的断裂韧性值较能真实地反映出材料抵抗裂纹扩展的能力。目前没有推广采用 100μm的切口，原因是所使用的刀片价格昂贵，并且使用寿命不高。
4 试验结果与分析
⑴本文通过液相共沉淀法制备钇稳定氧化锆混合溶胶前驱体，再与氧化铝粉体混合、煅烧制得氧化锆含量分别为 5%和 50%的 ZTA 复合陶瓷粉体。经等静压成型后，在 1550℃保温 2 小时烧结，得到了 ZTA 陶瓷样品。
⑵5%ZrO2 的 ZTA 与 50%ZrO2 的 ZTA 的相对密度分别达到 97.6%和 94.2%，50%ZrO2 的 ZTA 的相对密度较低，有可能是过烧导致的。
⑶SEM 分析表明 ZTA 中氧化锆晶体的尺寸处于纳米级且均匀分散。随着氧化锆含量的增加，氧化铝晶体的生长受到限制，氧化铝晶体尺寸减小，这有利于强度和断裂韧性的提高。氧化铝晶体的断裂方式多为穿晶断裂，氧化锆晶体的断裂方式多为沿晶断裂。
5 结论
虽然力学性能测试的数据并不理想，但仍能体现出氧化锆含量对 ZTA 性能的影响。50%ZrO2 的 ZTA 与 5%ZrO2 的 ZTA 相比，强度和断裂韧性都有一定程度的提高，表明了氧化锆的掺入起到了强韧化作用；XRD 表明了 ZTA 的强韧化与氧化锆的相变有关。硬度降幅较大，主要原因是氧化铝含量减少，除此还与气孔对硬度的减弱作用有关。
6 不足与展望
由于本人能力有限，以及实验时间有限，导致实验数据不太理想。此外，本实验存在几方面不足：
⑴本实验的工艺过程繁多，物料在水洗、混料和旋蒸等过程可能掺入了少量杂质，从而影响了 ZTA 的力学
性能。在保证实验变量一样的情况下，工艺过程应尽可能优化从简。
⑵由于本实验制备的纳米级氧化锆能降低烧成温度，ZTA 在 1550℃下可能过烧。此烧成温度由氧化铝、15%ZrO2 的 ZTA 和 20%ZrO2 的 ZTA 确定。因此下一步工作要制备多组 50%ZrO2 的 ZTA，在几个不同的烧成温度下烧成，以确定 50%ZrO2 的 ZTA 最佳的烧成温度。
⑶关于氧化锆含量对 ZTA 材料力学性能的影响的定量分析不够，因此还有待进一步研究。
从评价数值可以看出，同比同击实次数下，掺入了旧料的热拌再生沥青混合料的评价系数不断的下降，下降的幅度大概在 5%。其中在击实次数在 80 次之前，掺入旧料的再生沥青混合料的评价数值较新料有较大的下降；而在击实次数在 80 次之后，这种变化的数值差值趋于平缓，说明了 80 次击实功之前，旧料的压实较新料更容易压实。因为规范里的马歇尔试件作用功为双面75 下击实，所以也可以认为在施工不超压实状态下，掺入旧料的再生沥青混合料较新料更易于压实。而对比温拌再生沥青混合料和热拌再生沥青混合料的评价数值，可以发现在 80 次压实前后，温拌再生沥青混合料的数值均较低，即温拌再生沥青混合料在施工压实全过程的易压实程度均高于热拌再生沥青混合料。且易于压实的热拌再生沥青混合料和温拌再生沥青混合料表现出来的压实特性，猜想可能由于以下的原因造成。第一，由于本文采用的新沥青为壳牌改性沥青，它的沥青黏度较高，而本文使用的回收旧料中的旧沥青的 135℃运动黏度是低于改性沥青的，所以在一定的程度可以认为是旧沥青在一定的程度上为再生沥青混合料的沥青起到降黏作用。其二，本文采用分档后刨铣旧料作为掺入原料，而刨铣料的一大特点是旧集料和旧沥青是粘附在一起形成一个整体的。新沥青混合料压实过程中压实功的耗散可以分为沥青和集料的粘附作用的耗能和集料和集料嵌挤作用的耗能，而再生沥青混合料的原料中由于有旧料的掺入，部分沥青和集料的耗能被节约了，从而使得再生沥青混合料表现出易于压实的特性。而温拌再生沥青混合料较好的压实特性则可以从沥青的降黏来说明，较低的沥青黏度使得沥青和集料的粘附作用耗能降低，同时集料和集料由于低粘度沥青的作用，集料间的嵌挤耗能也有极大的下降，所以表现出相对于热拌再生沥青混合料更优越的压实特性。
5 结论
通过对温拌再生沥青混合料和热拌再生沥青混合料的马歇尔变击实实验的研究，可以发现温拌再生沥青混合料具有以下的压实特点：
⑴掺入旧料的热拌再生沥青混合料的压实特性较新料的压实特性优越，掺入旧料的再生沥青混合料较新料易于压实。
⑵在施工不超压的情况下，再生沥青混合料的压实程度好于新料，但是在超压之后，再生沥青混合料的压实特性和新沥青混合料相差无几。
⑶采用数值对压实特性进行分析，发现温拌再生沥青混合料的全过程压实特性均优于热拌再生沥青混合料，温拌再生沥青混合料可以使得全施工再生沥青路面材料压实情况变的优秀，压实提高度可以达到 10%～
50%。
