摘要：氧化锆相变增韧与二硅酸锂微晶玻璃的协同效应，是通过界面应力传递、裂纹路径协同调控、结构相互促进实现的“多机制耦合”，最终在保持材料功能特性（如透光性）的同时显著提升韧性，形成“1+1>2”的强化效果，在牙科修复材料等领域具有重要应用价值。小编将从氧化锆相变增韧
氧化锆相变增韧与二硅酸锂微晶玻璃的协同效应，是通过界面应力传递、裂纹路径协同调控、结构相互促进实现的“多机制耦合”，最终在保持材料功能特性（如透光性）的同时显著提升韧性，形成“1+1>2”的强化效果，在牙科修复材料等领域具有重要应用价值。小编将从氧化锆相变增韧的本质、二硅酸锂微晶玻璃的特性，以及两者相互作用的协同机制三个层面展开分析。
二者的基本机制
1.氧化锆相变增韧机制
氧化锆（ZrO₂）的相变增韧是其作为结构材料增韧剂的核心原理，源于其独特的晶型转变特性：
晶型转变：氧化锆存在三种晶型，常温下稳定的单斜相（m-ZrO₂）、高温稳定的四方相（t-ZrO₂） 和立方相（c-ZrO₂）。在应力诱导下（如裂纹尖端的应力集中），metastable的四方相可转变为单斜相（马氏体相变），伴随3-5%的体积膨胀和约16%的剪切应变。
增韧原理：相变产生的体积膨胀会对裂纹尖端产生“压应力屏蔽”效应，抵消裂纹扩展的拉应力；同时，相变过程消耗大量能量，阻止裂纹进一步扩展，从而提升材料韧性。
关键条件：四方相的稳定性是前提。通过引入稳定剂（如Y₂O₃）或控制颗粒尺寸（纳米级），可使四方相在室温下稳定存在，仅在应力作用下触发相变。
2.二硅酸锂微晶玻璃的特性
二硅酸锂微晶玻璃（Li₂O・2SiO₂，简称LS₂微晶玻璃）是一种通过玻璃晶化制备的复合材料，由二硅酸锂微晶相（占比60-80%）和残余玻璃相（占比20-40%）组成，其核心特性包括：
基础性能：具有与牙釉质接近的折射率（约1.52）和透光性，化学稳定性优异，适合牙科美学修复；但纯LS₂微晶玻璃韧性较低（断裂韧性约1.5-2.0MPa・m¹/²），限制了其在高应力场景的应用。
结构优势：微晶相呈针状或片状，均匀分散于玻璃相中，可通过裂纹偏转（裂纹遇到微晶时改变方向）、钉扎效应（微晶阻碍裂纹穿过）初步提升韧性，但效果有限。
协同效应的核心机制
当氧化锆（通常为纳米级四方相颗粒）引入二硅酸锂微晶玻璃中时，两者并非简单的性能叠加，而是通过结构-应力-相变的耦合作用产生协同增韧，具体体现在以下四个方面：
1.界面应力传递与相变触发
氧化锆颗粒与LS₂微晶/玻璃相的界面是协同作用的核心区域：
界面结合：若氧化锆与基体（微晶或玻璃相）的界面结合良好（通过调控成分，如引入SiO₂改善润湿性），外部载荷可通过界面高效传递至氧化锆颗粒，使颗粒周围形成局部应力集中。
相变阈值降低：LS₂微晶的刚性（弹性模量约70-80GPa）高于玻璃相（约50-60GPa），氧化锆颗粒若位于微晶-玻璃相界面，可同时受到来自微晶的“刚性支撑”和玻璃相的“柔性缓冲”，使应力更易达到四方相→单斜相的相变阈值，触发相变消耗能量。
2.裂纹路径的协同调控
氧化锆相变与LS₂微晶的裂纹调控作用形成“双重阻碍”：
一级阻碍：裂纹扩展初期，遇到LS₂针状微晶时发生偏转（偏转角度可达30-60°），增加裂纹扩展路径长度，消耗部分能量；
二级阻碍：偏转后的裂纹若遇到氧化锆颗粒，颗粒因应力集中发生相变，体积膨胀进一步“推开”裂纹，迫使裂纹分支或再次偏转（如图1示意）。
效果叠加：单独LS₂微晶的裂纹偏转可使韧性提升约30%，单独氧化锆相变可提升约50%，而协同作用下韧性可提升80-120%（如从2.0MPa・m¹/²提升至3.6-4.4MPa・m¹/²）。
3.氧化锆分散与微晶生长的相互促进
氧化锆颗粒的引入会反作用于LS₂微晶的生长，形成结构优化：
抑制微晶过度生长：纳米氧化锆颗粒可吸附在LS₂微晶的生长界面，阻碍微晶粗化（使微晶尺寸稳定在0.5-2μm），避免因微晶过大导致的脆性增加；
均匀分散引导：LS₂玻璃相在晶化过程中，氧化锆颗粒可作为“异质形核点”，引导微晶围绕其生长，使微晶与氧化锆颗粒形成“交错分布”，进一步强化应力传递效率。
4.性能平衡的协同优化
在功能性能上，两者协同可平衡“韧性-透光性-加工性”：
韧性与透光性：纯氧化锆透光性差（因高结晶度），而LS₂微晶玻璃透光性好但韧性低。当氧化锆含量≤10%时，纳米颗粒分散均匀，对光的散射弱，可保持LS₂的高透光性（透光率>70%），同时通过相变增韧提升韧性；
加工性：LS₂微晶玻璃可通过CAD/CAM加工成型，氧化锆的引入不影响其机械加工性能（因颗粒尺寸小且分散均匀），而氧化锆的高强度（>1000MPa）还能提升材料的抗折性能。
三、协同效应的关键影响因素
协同效应的强弱取决于以下参数的匹配，需通过工艺精确调控：
氧化锆含量：过低（15%）易导致颗粒团聚，破坏界面结合，反而降低韧性。最优范围通常为5-10%。
颗粒尺寸：纳米级（50-200nm）氧化锆更易稳定四方相，且比表面积大，界面作用更强；微米级颗粒则因相变阻力大，协同效果弱。
晶化工艺：升温速率（5-10°C/min）和保温温度（650-750°C）需匹配，确保LS₂微晶充分析出且氧化锆颗粒不被过度包裹（避免相变受阻）。
目前，该协同效应已广泛应用于牙科全瓷修复体（如容佰新材料研发的氧化锆增强二硅酸锂微晶玻璃），其断裂韧性可达3.5-4.0MPa・m¹/²，抗折强度>300MPa，同时保持80%以上的透光率，解决了传统材料“韧性高则透光差”的矛盾。
来源：科学露西
