氧化锆陶瓷材料发展现状
氧化锆是20世纪70年代发展起来的新型结构陶瓷，其室温下的高强度和高韧性已经为近年来的大量研究确认，而高熔点、隔热好、耐腐蚀等特性让这种陶瓷获得了广泛的应用，如耐火材料、模具、轴承、氧传感器、催化剂载体、航空发动机的隔热涂层甚至牙修复材料等领域。
氧化锆陶瓷晶体结构
氧化锆优异的性能很大程度上取决于其晶型的影响，氧化锆有三种晶体结构：单斜相（m-ZrO2）、四方相（t-ZrO2）和立方相（c-ZrO2），在不同的温度范围内可以相互转换。纯氧化锆的单斜相从室温到1170℃是稳定的，超过这一温度转变为四方相，然后在2370℃转变为立方相直到 2680℃发生融化。
研究发现，通过添加氧化物稳定剂如二价氧化物（CaO，MgO，SrO）和稀土氧化物（Y2O3，CeO2）等可以使高温下才能存在的四方相稳定存在室温下，这种亚稳定的四方相能在应力诱导下发生四方相向单斜相转变的马氏体相变，并伴有3-5%的体积膨胀，由于相变产生的体积效应而吸收大量的断裂能，从而使材料表现出异常高的断裂韧度，即所谓的“相变增韧”，使得氧化锆陶瓷具有高韧性、高耐磨性。
ZrO2晶体结构：简单单斜（左）;简单四方（右）
XRD在氧化锆陶瓷材料分析中的应用
陶瓷材料在应用中的致命弱点是其脆性。由于相变增韧效果，氧化锆陶瓷在工程陶瓷中有着独特的地位。该材料的抗弯强度、线膨胀系数等力学性能与材料的相组成关系密切，单斜相含量的增加会降低氧化锆陶瓷的机械强度，换言之，如何确定单斜相与四方相的相配比对于研究和开发综合力学性能优良的氧化锆陶瓷是个非常重要的问题，因此，对于此类同质异晶体可以通过X射线衍射分析不同晶型ZrO2的比例含量，确定单斜相与四方相的配比，这对于研究和开发综合力学性能优良的氧化锆陶瓷非常重要。
XRD传统的物相定量如K值法使用特定的衍射峰强度来确定ZrO2单斜相与四方相的含量。如果测试样品存在重叠峰和择优取向时，K值法准确度不高，局限性明显，因此还可以对测得的物相进行Ritveld精修，即所谓的“全谱拟合”完成物相的定量分析并获得相应的结构参数。
目前，国内对氧化锆陶瓷单斜相含量的检测标准为JC/T 2015-2010《四方相氧化锆老化性能测定方法》。
分析方法与检测结果
方法一：RIR法
采用苏州浪声科学仪器有限公司的界FRINGE CLASS桌面式X射线衍射仪对某组氧化锆陶瓷原料样品进行物相分析。
ZrO2定性定量结果
测试了氧化锆陶瓷材料中最广泛使用的钇稳定四方相氧化锆（Y-TZP）与单斜氧化锆的混合粉料，对其进行了物相定性定量分析。物相定性分析结果表明，此样品的晶型为含钇的四方相氧化锆（PDF：01-089-9068）和单斜相氧化锆（PDF：01-074-1200），其中氧化钇作为稳定剂与ZrO2形成固溶体，生成了稳定的四方相氧化锆。本次定量结果采用RIR值法分析得到四方相氧化锆和单斜相氧化锆的质量百分数分别为88.89%和11.11%。
方法二：JC/T 2015-2010《四方相氧化锆老化性能测定方法》
根据JC/T 2015-2010《四方相氧化锆老化性能测定方法》，采用X射线衍射仪测定其相含量，以单斜相的体积含量作为老化性能的衡量指标。
单斜相体积含量Vm的计算公式如下：
Im(-1 1 1)为单斜相(-1 1 1)晶面衍射强度，单位为mm2；
Im(111)为单斜相(111)晶面衍射强度，单位为mm2；
It(101)为四方相(101)晶面衍射强度，单位为mm2。
I为衍射强度，单位为mm2；，
h为衍射峰峰高，单位为mm；
ω为衍射峰半高宽，单位为mm；
ZrO2衍射图谱的峰线列表
由CrystalX展示的峰线列表可知：衍射强度Im(-1 1 1)=91.85，Im(111)=87.93，It(101)=1429.47。根据公式（1）、（2）可计算出单斜相ZrO2的体积含量Vm=14.42%。
方法三：Rietveld精修
Rietvld精修之后的理论谱图与实验谱
Rietveld精修完成后可以直接从MAUD软件中读出各物相的含量、晶胞参数（a,b,c,α，β，γ）、晶粒尺寸等物理量，如表1所示。
表1. MAUD软件精修结果
注：对于单斜相和四方相，α=γ=90°，表1中未列出。
结论
本文使用浪声科学桌面式X射线衍射仪界FRINGE CLASS测试了氧化锆陶瓷粉料，方法一求得的ZrO2两相的质量分数及方法二求得的单斜相ZrO2的体积分数都与方法三Rietveld精修所得的结果一致。其中使用MAUD软件完成了Rietveld精修，拟合结果良好，Rwp=10.377%，Rexp=9.007%。通过Rietveld精修不仅能直接完成无标定量，还能获得各物相的晶胞参数、晶粒尺寸等物理量。此方法可用于研究和开发综合性能优良的氧化锆陶瓷以及生产质量控制。
