氧化鋯陶瓷材料發展現狀
氧化鋯是20世紀70年代發展起來的新型結構陶瓷，其室溫下的高強度和高韌性已經為近年來的大量研究確認，而高熔點、隔熱好、耐腐蝕等特性讓這種陶瓷獲得了廣泛的應用，如耐火材料、模具、軸承、氧傳感器、催化劑載體、航空發動機的隔熱涂層甚至牙修復材料等領域。
氧化鋯陶瓷晶體結構
氧化鋯優異的性能很大程度上取決于其晶型的影響，氧化鋯有三種晶體結構：單斜相（m-ZrO2）、四方相（t-ZrO2）和立方相（c-ZrO2），在不同的溫度范圍內可以相互轉換。純氧化鋯的單斜相從室溫到1170℃是穩定的，超過這一溫度轉變為四方相，然后在2370℃轉變為立方相直到 2680℃發生融化。
研究發現，通過添加氧化物穩定劑如二價氧化物（CaO，MgO，SrO）和稀土氧化物（Y2O3，CeO2）等可以使高溫下才能存在的四方相穩定存在室溫下，這種亞穩定的四方相能在應力誘導下發生四方相向單斜相轉變的馬氏體相變，并伴有3-5%的體積膨脹，由于相變產生的體積效應而吸收大量的斷裂能，從而使材料表現出異常高的斷裂韌度，即所謂的“相變增韌”，使得氧化鋯陶瓷具有高韌性、高耐磨性。
ZrO2晶體結構：簡單單斜（左）;簡單四方（右）
XRD在氧化鋯陶瓷材料分析中的應用
陶瓷材料在應用中的致命弱點是其脆性。由于相變增韌效果，氧化鋯陶瓷在工程陶瓷中有著獨特的地位。該材料的抗彎強度、線膨脹系數等力學性能與材料的相組成關系密切，單斜相含量的增加會降低氧化鋯陶瓷的機械強度，換言之，如何確定單斜相與四方相的相配比對于研究和開發綜合力學性能優良的氧化鋯陶瓷是個非常重要的問題，因此，對于此類同質異晶體可以通過X射線衍射分析不同晶型ZrO2的比例含量，確定單斜相與四方相的配比，這對于研究和開發綜合力學性能優良的氧化鋯陶瓷非常重要。
XRD傳統的物相定量如K值法使用特定的衍射峰強度來確定ZrO2單斜相與四方相的含量。如果測試樣品存在重疊峰和擇優取向時，K值法準確度不高，局限性明顯，因此還可以對測得的物相進行Ritveld精修，即所謂的“全譜擬合”完成物相的定量分析并獲得相應的結構參數。
目前，國內對氧化鋯陶瓷單斜相含量的檢測標準為JC/T 2015-2010《四方相氧化鋯老化性能測定方法》。
分析方法與檢測結果
方法一：RIR法
采用蘇州浪聲科學儀器有限公司的界FRINGE CLASS桌面式X射線衍射儀對某組氧化鋯陶瓷原料樣品進行物相分析。
ZrO2定性定量結果
測試了氧化鋯陶瓷材料中最廣泛使用的釔穩定四方相氧化鋯（Y-TZP）與單斜氧化鋯的混合粉料，對其進行了物相定性定量分析。物相定性分析結果表明，此樣品的晶型為含釔的四方相氧化鋯（PDF：01-089-9068）和單斜相氧化鋯（PDF：01-074-1200），其中氧化釔作為穩定劑與ZrO2形成固溶體，生成了穩定的四方相氧化鋯。本次定量結果采用RIR值法分析得到四方相氧化鋯和單斜相氧化鋯的質量百分數分別為88.89%和11.11%。
方法二：JC/T 2015-2010《四方相氧化鋯老化性能測定方法》
根據JC/T 2015-2010《四方相氧化鋯老化性能測定方法》，采用X射線衍射儀測定其相含量，以單斜相的體積含量作為老化性能的衡量指標。
單斜相體積含量Vm的計算公式如下：
Im(-1 1 1)為單斜相(-1 1 1)晶面衍射強度，單位為mm2；
Im(111)為單斜相(111)晶面衍射強度，單位為mm2；
It(101)為四方相(101)晶面衍射強度，單位為mm2。
I為衍射強度，單位為mm2；，
h為衍射峰峰高，單位為mm；
ω為衍射峰半高寬，單位為mm；
ZrO2衍射圖譜的峰線列表
由CrystalX展示的峰線列表可知：衍射強度Im(-1 1 1)=91.85，Im(111)=87.93，It(101)=1429.47。根據公式（1）、（2）可計算出單斜相ZrO2的體積含量Vm=14.42%。
方法三：Rietveld精修
Rietvld精修之后的理論譜圖與實驗譜
Rietveld精修完成后可以直接從MAUD軟件中讀出各物相的含量、晶胞參數（a,b,c,α，β，γ）、晶粒尺寸等物理量，如表1所示。
表1. MAUD軟件精修結果
注：對于單斜相和四方相，α=γ=90°，表1中未列出。
結論
本文使用浪聲科學桌面式X射線衍射儀界FRINGE CLASS測試了氧化鋯陶瓷粉料，方法一求得的ZrO2兩相的質量分數及方法二求得的單斜相ZrO2的體積分數都與方法三Rietveld精修所得的結果一致。其中使用MAUD軟件完成了Rietveld精修，擬合結果良好，Rwp=10.377%，Rexp=9.007%。通過Rietveld精修不僅能直接完成無標定量，還能獲得各物相的晶胞參數、晶粒尺寸等物理量。此方法可用于研究和開發綜合性能優良的氧化鋯陶瓷以及生產質量控制。
