《MSEA》一种简便方法，制备高质量氧化锆增韧氧化铝

　　氧化锆增韧氧化铝（ZTA）是氧化铝和氧化锆的复合材料，具有优异的机械性能，例如强度，韧性和硬度。由于ZTA既显示出优异的强度（550-700 MPa）又具有高导热率（23-27W/mK），因此它作为散发电子设备热量的陶瓷材料（T-ZTA）引起了广泛关注。但是，迄今为止，在文献中尚未公开如何制造这种高质量的T-ZTA。

　　通常，当ZTA中氧化铝的晶粒尺寸约为1-2μm或更小时将显示出高强度。但是，T-ZTA的晶粒尺寸为2-10μm时，由于晶粒增大其抗弯强度（323-450 MPa）相对较低，甚至不及370-550 MPa的商用氧化铝。另外，将氮化硼纳米管(BNNT）添加到T-ZTA中，在1650℃下烧结时，不仅发现了“21 W/mK的高导热率”，而且发现了“609 MPa的出色抗弯强度”。但是，BNNT并不是便宜的材料。

　　在这项研究中，来自韩国材料科学研究所（KIMS）的研究人员设计了一种有趣的方法来制造高质量的T-ZTA，而无需使用昂贵的添加剂。通过研磨工艺用元素Y稳定的氧化锆（Y-Stabilized Zirconia,YSZ）覆盖在氧化铝颗粒表面，开发出了高质量的T-ZTA。相关论文以题为“An easy approach to manufacture high quality zirconia-toughed alumina”发表在Materials Science and Engineering A。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320304093

　　到目前为止，文献中公开的T-ZTA制造过程中，尚未具体控制YSZ颗粒的尺寸。在本研究选择了0.25 at%Nb2O5添加剂，因为它非常有效地促进了晶粒的生长和致密化，通过氧化铝颗粒表面上的YSZ来抑制晶粒的生长，并且通过添加Nb2O5来满足T-ZTA的致密化。另外，在晶界处发现了液相，由于液相的形成，在1450℃烧结的0.25-1.50Nb 0.7YSZ Al2O3试样中发生了晶粒长大和致密化。如果试样中含有大量液相，那么将有大量的晶核用于晶粒的生长，并且它们将难以生长，这是因为它们在生长的早期会相互碰撞。同时，在0.50-1.5Nb 0.7YSZ Al2O3的XRD图谱上发现了AlNbO4的第二相，因此，作为T-ZTA的烧结助剂。

图1、在1450℃和1600℃烧结的0.00-0.50Nb 0.7YSZ Al2O3和0.25Nb0.7-10.3YSZ Al2O3样品的SEM图像

图2、1450℃和1600℃氧化锆烧结的XRD谱图

图3、0.25Nb 10.3YSZ Al2O3样品的TEM图像

图4在1450℃和1600℃烧结的0.25Nb0.7-10.3YSZAl2O3的晶粒尺寸，密度，热导率和抗弯强度

　　通过行星式球磨将YSZ均匀地覆盖在Al2O3颗粒的表面上，制备的T-ZTA显示出由掺Nb的YSZ和氧化铝组成的纳米复合材料，与商业ZTA相似，具有27.5 W/mK的高导热率和732 MPa的优异抗弯强度。此外，在1450℃烧结的样品还表现出与商用ZTA和氧化铝相似的热/机械性能。

图5、Al2O3和T-ZTA的热导率和弯曲强度

　　总而言之，本研究制备出高质量的T-ZTA，是一种微观结构由Nb掺杂的YSZ和氧化铝组成的纳米复合材料。高质量的T-ZTA在释放电子元件中的热量方面发挥着重要的作用。