由于稀土元素具有4fx5d16s2 電子層結(jié)構(gòu),電價高、半徑大、極化力強、化學性質(zhì)活潑及能水解等性質(zhì),故其應用十分廣泛,尤其在特種陶瓷及功能材料方面具有廣闊的發(fā)展前景。
Si3N4陶瓷
Si3N4 陶瓷硬度高、強度大、熱膨脹系數(shù)小,具有較高的抗蠕變性能及抗氧化、抗腐蝕性能,是一種非常好的高溫結(jié)構(gòu)材料。作為Si3N4 陶瓷,由于Si-N鍵屬共價鍵,致使在無液相存在下燒結(jié)非常困難,須加入添加劑。較為理想的添加劑為稀土氧化物Y2O3、CeO2、La2O3 ,不僅可使Si3N4陶瓷在燒結(jié)時產(chǎn)生液相,促進燒結(jié),同時又可大大提高Si3N4陶瓷的高溫力學性能。研究表明,添加La2O3和Y2 O3的氮化硅陶瓷,其抗彎強度在1370℃的高溫下保持不變,達1000MPa以上。添加Al2O3和La2O3燒結(jié)助劑的Si3N4 陶瓷形成具有高耐火度和粘度的Y-Ls-Si-O-N玻璃晶界,因此具有較高的高溫抗彎強度和較好的抗氧化性能,并且在高溫條件下易析出較高熔點的結(jié)晶化合物,于是減少了材料非晶態(tài)玻璃相的含量,提高了材料的高溫斷裂韌性。
Al2O3陶瓷
Al2O3 陶瓷具有較高的硬度和機械強度,膨脹系數(shù)與金屬差不多,同時具有良好的化學穩(wěn)定性。對Al2O3陶瓷來講,為提高其高溫熱穩(wěn)定性,可添加稀土元素。研究表明:之所以能提高Al2O3 陶瓷高溫熱穩(wěn)定性,主要原因是形成了稀土鋁酸鹽,如添加La2O3可形成起到穩(wěn)定作用的LaAl11O18。
為降低Al2O3 陶瓷的燒成溫度,改進產(chǎn)品性能,在其加入不同數(shù)量的稀土外加劑,可大大降低燒成溫度。
SiC陶瓷
SiC是共價鍵性極強的化合物,在高溫狀態(tài)下仍能保持高的鍵合強度,且熱膨脹系數(shù)小,耐腐蝕性優(yōu)良,具有較高的熱傳導性,故是高溫結(jié)構(gòu)材料最有希望的材料之一。
SiC中添加Al2O3和Y2O3為燒結(jié)助劑可大大降低SiC陶瓷的燒結(jié)溫度,Al2O3和Y2O3 在燒結(jié)溫度下形成液相,從而以液相燒結(jié)機理加速材料致密化。有研究用無壓燒結(jié)β制得含板狀晶料的液相燒結(jié)SiC陶瓷,其斷裂韌性達7MPa·m1/2 ,添加稀土氧化物可使其抗氧化性能得到明顯改善,且隨稀土加入量的增加,氧化速度逐漸降低,加入量為3%時效果最佳。
Y2O3 陶瓷
Y2O3陶瓷是一種高性能透明陶瓷,它是以高純氧化釔為原料并添加8mol%~10mol%ThO2 在氫氣中于2000℃以上高溫燒成透明多晶體,也可在添加LiF和ThO2 后于1300~1500℃和35~50MPa壓力下真空熱壓燒結(jié)。由于其熔點大于2400℃,介電常數(shù)為12~14,透明性好,即使在遠紅外區(qū)仍有約80%的直線透過率,是優(yōu)良的高溫紅外材料和電子材料。
AIN陶瓷
AIN陶瓷導熱性好、耐高溫、耐腐蝕,具有較好的電絕緣性能,但因?qū)俟矁r鍵,故燒結(jié)困難。在制備AIN陶瓷時加入稀土氧化物Y2O3、La2O3 等作為添加劑,與AIN顆粒表面的Al2O3 反應,生成低熔點液相,使整個燒結(jié)在有液相參與下進行,最終達到致密化。這樣制得的AIN陶瓷可作熔煉純鐵、鋁等的優(yōu)良坩鍋材料及其高溫結(jié)構(gòu)材料。
ZrO2陶瓷
ZrO2 陶瓷具有較高的熔點,是理想的高溫結(jié)構(gòu)材料,但由于其在1100℃左右存在單斜與四方的晶型轉(zhuǎn)變,并伴有較大體積變化,故在制造時須加入穩(wěn)定劑,稀土氧化物CeO2和ThO2 為常用穩(wěn)定劑。就Y2O3來說,由于Y3+離子的大小與Z4+離子接近,可固溶形成穩(wěn)定的立方晶相,故稀土加入ZrO2后可使ZrO2 陶瓷的抗熱震性能得到較大提高。
當Y2O3含量<2mol%時,ZrO2以單斜相存在;當Y2O3含量>8mol%時,ZrO2 以立方相存在;而當Y2O3含量在2mol%~8mol%時,ZrO2則以兩相或三相共存。
當Y2O3 含量在3mol%左右時,由陶瓷中ZrO2晶粒間的相互抑制,可通過控制適當?shù)木Я3叽缰苽淙坑伤姆絑rO2 組成的氧化釔穩(wěn)定的四方氧化鋯,它具有很高的斷裂韌性和抗彎強度,在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料中應用廣泛。
氧化鋯不僅為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷材料,而且也具有優(yōu)良的高溫電導性能,因而是一種用途很廣的固體電解質(zhì)材料。高溫燃料電池一般也都采用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2 為固體電解質(zhì),其工作溫度可達800~1000℃。
Si3N4陶瓷
Si3N4 陶瓷硬度高、強度大、熱膨脹系數(shù)小,具有較高的抗蠕變性能及抗氧化、抗腐蝕性能,是一種非常好的高溫結(jié)構(gòu)材料。作為Si3N4 陶瓷,由于Si-N鍵屬共價鍵,致使在無液相存在下燒結(jié)非常困難,須加入添加劑。較為理想的添加劑為稀土氧化物Y2O3、CeO2、La2O3 ,不僅可使Si3N4陶瓷在燒結(jié)時產(chǎn)生液相,促進燒結(jié),同時又可大大提高Si3N4陶瓷的高溫力學性能。研究表明,添加La2O3和Y2 O3的氮化硅陶瓷,其抗彎強度在1370℃的高溫下保持不變,達1000MPa以上。添加Al2O3和La2O3燒結(jié)助劑的Si3N4 陶瓷形成具有高耐火度和粘度的Y-Ls-Si-O-N玻璃晶界,因此具有較高的高溫抗彎強度和較好的抗氧化性能,并且在高溫條件下易析出較高熔點的結(jié)晶化合物,于是減少了材料非晶態(tài)玻璃相的含量,提高了材料的高溫斷裂韌性。
Al2O3陶瓷
Al2O3 陶瓷具有較高的硬度和機械強度,膨脹系數(shù)與金屬差不多,同時具有良好的化學穩(wěn)定性。對Al2O3陶瓷來講,為提高其高溫熱穩(wěn)定性,可添加稀土元素。研究表明:之所以能提高Al2O3 陶瓷高溫熱穩(wěn)定性,主要原因是形成了稀土鋁酸鹽,如添加La2O3可形成起到穩(wěn)定作用的LaAl11O18。
為降低Al2O3 陶瓷的燒成溫度,改進產(chǎn)品性能,在其加入不同數(shù)量的稀土外加劑,可大大降低燒成溫度。
SiC陶瓷
SiC是共價鍵性極強的化合物,在高溫狀態(tài)下仍能保持高的鍵合強度,且熱膨脹系數(shù)小,耐腐蝕性優(yōu)良,具有較高的熱傳導性,故是高溫結(jié)構(gòu)材料最有希望的材料之一。
SiC中添加Al2O3和Y2O3為燒結(jié)助劑可大大降低SiC陶瓷的燒結(jié)溫度,Al2O3和Y2O3 在燒結(jié)溫度下形成液相,從而以液相燒結(jié)機理加速材料致密化。有研究用無壓燒結(jié)β制得含板狀晶料的液相燒結(jié)SiC陶瓷,其斷裂韌性達7MPa·m1/2 ,添加稀土氧化物可使其抗氧化性能得到明顯改善,且隨稀土加入量的增加,氧化速度逐漸降低,加入量為3%時效果最佳。
Y2O3 陶瓷
Y2O3陶瓷是一種高性能透明陶瓷,它是以高純氧化釔為原料并添加8mol%~10mol%ThO2 在氫氣中于2000℃以上高溫燒成透明多晶體,也可在添加LiF和ThO2 后于1300~1500℃和35~50MPa壓力下真空熱壓燒結(jié)。由于其熔點大于2400℃,介電常數(shù)為12~14,透明性好,即使在遠紅外區(qū)仍有約80%的直線透過率,是優(yōu)良的高溫紅外材料和電子材料。
AIN陶瓷
AIN陶瓷導熱性好、耐高溫、耐腐蝕,具有較好的電絕緣性能,但因?qū)俟矁r鍵,故燒結(jié)困難。在制備AIN陶瓷時加入稀土氧化物Y2O3、La2O3 等作為添加劑,與AIN顆粒表面的Al2O3 反應,生成低熔點液相,使整個燒結(jié)在有液相參與下進行,最終達到致密化。這樣制得的AIN陶瓷可作熔煉純鐵、鋁等的優(yōu)良坩鍋材料及其高溫結(jié)構(gòu)材料。
ZrO2陶瓷
ZrO2 陶瓷具有較高的熔點,是理想的高溫結(jié)構(gòu)材料,但由于其在1100℃左右存在單斜與四方的晶型轉(zhuǎn)變,并伴有較大體積變化,故在制造時須加入穩(wěn)定劑,稀土氧化物CeO2和ThO2 為常用穩(wěn)定劑。就Y2O3來說,由于Y3+離子的大小與Z4+離子接近,可固溶形成穩(wěn)定的立方晶相,故稀土加入ZrO2后可使ZrO2 陶瓷的抗熱震性能得到較大提高。
當Y2O3含量<2mol%時,ZrO2以單斜相存在;當Y2O3含量>8mol%時,ZrO2 以立方相存在;而當Y2O3含量在2mol%~8mol%時,ZrO2則以兩相或三相共存。
當Y2O3 含量在3mol%左右時,由陶瓷中ZrO2晶粒間的相互抑制,可通過控制適當?shù)木Я3叽缰苽淙坑伤姆絑rO2 組成的氧化釔穩(wěn)定的四方氧化鋯,它具有很高的斷裂韌性和抗彎強度,在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料中應用廣泛。
氧化鋯不僅為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷材料,而且也具有優(yōu)良的高溫電導性能,因而是一種用途很廣的固體電解質(zhì)材料。高溫燃料電池一般也都采用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2 為固體電解質(zhì),其工作溫度可達800~1000℃。