稀土元素在先进陶瓷中有哪些应用

目前，稀土在先进陶瓷方面的应用主要集中在结构陶瓷、功能陶瓷、陶瓷色釉料等领域。随着稀土新材料的不断开发与应用，将稀土作为添加剂、稳定剂、烧结助剂作用于各种陶瓷材料，极大地改善了其性能、降低了生产成本，使其工业化应用成为可能。

Al2O3陶瓷由于强度高、耐高温、绝缘性好、耐磨损、耐腐蚀,且具有良好的机电性能,是目前应用最广泛的结构陶瓷。加入稀土氧化物如Y2O3、La2O3、Sm2O3等可以改善Al2O3复合材料的润湿性能、降低陶瓷材料的熔点；使材料孔隙率降低，致密度提高；阻碍其他离子迁移,降低晶界迁移速率,抑制晶粒生长,有利于致密结构的形成；使玻璃相的强度得到提高，从而达到改善Al2O3陶瓷力学性能的目的。

Si3N4陶瓷具有优异的力学性能、热学性能及化学稳定性，是高温结构陶瓷中最有应用潜力的材料。由于Si3N4是强共价键化合物，这决定了纯Si3N4不能靠常规固相烧结达到致密化，所以除用Si粉直接氮化的反应烧结外，需加入一定量助烧剂制成致密材料。

目前制备Si3N4陶瓷较为理想的烧结助剂是稀土氧化物Y2O3、Nd2O3、La2O3等。这些稀土氧化物一方面与Si3N4粉体表面的微量SiO2在高温下反应生成含氮的高温玻璃相，有效促进Si3N4陶瓷的烧结；一方面形成具有高耐火度和粘度的Y-La-Si-O-N玻璃晶界，具有较高的高温抗弯强度和较好的抗氧化性能，并且在高温条件下易析出具有高熔点的含Y、La的结晶化合物，提高了材料的高温断裂韧性。

ZrO2陶瓷的密度大、熔点和硬度较高，尤其是它的抗弯强度和断裂韧性较高，是所有陶瓷中最高的。由于ZrO2晶型转化伴有明显的体积变化，因而限制了直接使用的范围。随着研究工作的深入，发现加入稀土氧化物对ZrO2的相变具有更好的抑制稳定作用。常用的稀土氧化物主要是Y2O3、Nd2O3、Ce2O3，其离子半径与Zr4+基本接近，可以与ZrO2形成单斜、四方和立方晶型的置换型固溶体，这类ZrO2陶瓷材料具有较好的技术性能指标。如CeO2能和ZrO2形成很宽范围内的四方氧化锆固溶体的相区,是良好的固体电解质材料，Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)是一种优良的氧离子导体材料,在固体氧化物燃料电池(SOFC)、氧气传感器以及甲烷部分氧化膜反应器等方面已获得广泛的应用。

碳化硅陶瓷具有耐高温、抗热震、耐腐蚀、耐磨损、热传导性良好及质量轻等特点，是常用的高温结构陶瓷。SiC的强共价键结合特性决定了其在通常的条件下很难实现烧结致密化，通常需要添加烧结助剂或采用热压、热等静压烧结工艺，生产工艺复杂，成本高。无压烧结SiC最有效的烧结助剂是Al2O3-Y2O3;以Y3Al5O12(简称YAG)为主要烧结助剂的SiC-YAG陶瓷复合材料，由于在较低温度下可实现致密化烧结,因此被认为是最有发展前景的碳化硅陶瓷体系之一。

AlN是共价键化合物，熔点较高,热导率高、介电常数低、能耐铁、铝等金属和合金的熔蚀，在特殊气氛中有优异的耐高温性能，是理想的大规模集成电路基板和封装材料。由于AlN是共价键，烧结非常困难，而单一的烧结助剂降低烧成温度的程度有限，故通常使用复合助剂(稀土金属氧化物和碱土金属氧化物)作为烧结助剂以形成液相促进烧结。另外，烧结助剂还可与AlN中的氧杂质反应，减少因部分氧溶入AlN点阵中而造成的铝空位，提高AlN的热导率。

赛隆陶瓷是在Si3N4陶瓷基础上开发出的一种Si-N-O-Al致密多晶氮化物陶瓷，由Al2O3中的Al原子和O原子部分置换Si3N4中的Si原子和N原子形成，其强度、韧性、抗氧化性能均优于Si3N4陶瓷，特别适用于陶瓷发动机部件和其它耐磨陶瓷制品。赛隆(Sialon)材料不易烧结，稀土氧化物的引入有利于在较低温度下生成液相，有效地促进烧结。同时,稀土阳离子又能进入α-Si3N4相的晶格中，降低玻璃相的含量并形成晶界相，提高材料的常温和高温性能。研究表明，添加1%的Y2O3可使赛隆陶瓷在高温烧成时形成一种高温玻璃相，不仅能促进烧结，还能提高其断裂韧性，此外添加少量Y2O3对其抗氧化性也有很大提高。

自1987年中、日、美等国材料科学家发现氧化物陶瓷钇钡铜氧（YBCO）具有优良的高温超导性（Tc高达92K）以来，人们在稀土高温超导陶瓷的性能研究及应用开发方面做了大量工作，并取得了许多重大进展，日本已有研究表明，用Nd、Sm、Eu、Gd等轻稀土（Ln）取代YBCO中的Y后，所得超导陶瓷材料LnBCO的临界磁场强度显著提高，磁通钉扎力也大为增强，在电力、储能和运输等方面极具实用价值。

钛酸铅（PbTiO3）是一种典型的具备机械能-电能耦合效应的压电陶瓷，其居里温度高（490℃）、介电常数低，适于高温和高频条件下应用。但在其制备冷却过程中，因产生立方-四方相变而易出现显微裂纹。为了解决这一问题，采用稀土对其进行改性，经1150℃温度烧结后可获得相对密度为99%的RE-PbTiO3陶瓷，显微组织得到明显改善，可用于制造在75MHZ的高频条件下工作的换能器阵列。在具有高压电系数的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷中，通过添加La2O3、Sm2O3、Nd2O3等稀土氧化物，可明显改善PZT陶瓷的烧结性能并利于获得稳定的电学性能和压电性能。

此外，还可通过添加少量稀土氧化物CeO2来改善PZT陶瓷的性能，掺加CeO2后PZT陶瓷的体积电阻率升高，利于工艺上实现高温和高电场下极化，其抗时间老化和抗温度老化等性能也均得到改善。经稀土改性的PZT陶瓷，现已在高压发生器、超声发生器、水声换能器等装置中得到广泛应用。

以稀土氧化物Y2O3作添加剂的钇稳定化氧化锆(YSZ)陶瓷，高温下具有良好的热稳定性和化学稳定性，是较好的氧离子导体，在离子导电陶瓷中具有突出地位。YSZ陶瓷传感器，已成功用于测量汽车尾气中的氧分压，有效控制空气/燃料比，节能效果显著，在工业锅炉、熔炼炉、焚化炉等以燃烧为主的设备中得到了广泛应用。

然而，YSZ陶瓷只有在高于900℃时才表现出较高的离子导电率，故其应用仍受到一定限制。现有研究发现，在具有更高离子导电率的Bi2O3陶瓷中，掺加适量的Y2O3或Gd2O3，可使Bi2O3面心立方相稳定到室温，同时X射线衍射图谱也已表明，(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35均为稳定的面心立方结构的高氧离子导电相。在这种陶瓷的侧面再镀上(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的保护膜后，即可制备组装成离子导电性高、稳定性好且能在中温条件下（500~800℃）工作的燃料电池和氧传感器，利于解决高温技术所带来的困难。

介电陶瓷主要用于制作陶瓷电容器和微波介质元件。在TiO2、MgTiO3、BaTiO3等介电陶瓷及其复合介电陶瓷中，添加La、Nd、Dy等稀土能显著改善其介电性能。如在具有高介电常数的BaTiO3陶瓷中，添加介电常数值ε=30~60的La、Nd稀土化合物，可使其介电常数在宽温度范围内保持稳定，器件的使用寿命显著提高。在热补偿电容器用介电陶瓷中，还可根据需要适当地掺加稀土，实现对陶瓷介电常数、温度系数、品质因数的改善或调节，扩大其应用范围。用La2O3对热稳定电容器钛酸镁陶瓷进行改性，所获得的MgO·TiO2-La2O3-TiO2系陶瓷和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系陶瓷，即保持了原有的介电损耗和温度系数小的特点，其介电常数也得到了显著提高。

敏感陶瓷是功能陶瓷中的重要一种，其特征是对某些外界条件如电压、气体成分、温度、湿度等反应敏感，故可通过其相关电性能参数的反应或变化来实现对电路、操作过程或环境的监控，广泛用于控制电路的传感元件，因此又被称为传感器陶瓷。稀土与这类陶瓷的性能之间存在着密切关系。