中國粉體網(wǎng)訊  陶瓷材料作為三大固體材料之一，在高尖端技術(shù)領(lǐng)域的需求日益增加，且伴隨著更嚴(yán)苛的性能要求，如何改善陶瓷材料的整體使用性能備受關(guān)注。大量實(shí)踐證明，將稀土氧化物科學(xué)的加入到不同的陶瓷材料中，可以極大地提高和改善陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性等性能，降低其燒結(jié)溫度，從而降低生產(chǎn)成本。

目前，稀土氧化物已經(jīng)成為先進(jìn)陶瓷生產(chǎn)中必不可少的添加材料。

稀土氧化物在陶瓷材料中的應(yīng)用，主要是作為添加物來改進(jìn)陶瓷材料的燒結(jié)性、致密性、顯微結(jié)構(gòu)和晶相組成等，從而在極大程度上改善了它們的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)或熱學(xué)性能，以滿足不同場合下使用的陶瓷材料的質(zhì)量要求和性能要求。稀土氧化物在陶瓷材料中的作用機(jī)理主要有以下三種:

（1）作為熔劑可促進(jìn)燒結(jié)；

（2）改善陶瓷微觀結(jié)構(gòu)；

（3）摻雜改性。

氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷是應(yīng)用最為廣泛的陶瓷材料。研究表明，稀土氧化物的加入可與基體形成液相或固溶體，降低燒結(jié)溫度，改善其力學(xué)性能。常用的稀土氧化物添加劑有Dy₂O₃、Y₂O₃、La₂O₃、Ce₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃、Tb₄O₇和Eu₂O₃等。

氧化鋁陶瓷

1、對顯微結(jié)構(gòu)的影響

將La₂O₃、Y₂O₃、CeO₂摻雜后，晶粒尺寸會減小，說明稀土氧化物有細(xì)化晶粒的作用，但是隨著稀土氧化物摻量的增加，陶瓷晶粒尺寸都逐漸增大，同時(shí)，液相量也逐漸增加。

2、對硬度的影響

用La₂O₃、Y₂O₃等稀土氧化物摻雜的氧化鋁陶瓷硬度隨著摻量的增加都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這種現(xiàn)象可能的原因是：適量的稀土氧化物添加可以細(xì)化晶粒，同時(shí)增加液相量，填充晶粒間隙，使致密度上升，硬度增加，但是隨著稀土氧化物的過量添加，晶粒尺寸增大、間隙增多對致密度和硬度的負(fù)面作用難以抵消，表現(xiàn)為硬度逐漸降低。

3、對摩擦磨損性能的影響

王韜等研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋁陶瓷磨損表面經(jīng)歷了4個(gè)過程：晶粒的斷裂和拔出、摩擦層形成、摩擦層面積增加和裂紋的增加，氧化鋁陶瓷磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，適量的稀土氧化物摻雜可以提高陶瓷的耐磨性。

4、對氧化鋁陶瓷相對密度的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著摻雜量的不同，Y₂O₃、CeO₂摻雜的氧化鋁陶瓷相對密度都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。同時(shí)發(fā)現(xiàn)添加Y₂O₃的氧化鋁陶瓷相對密度比摻雜CeO₂和La₂O₃的氧化鋁低。

氧化鋯陶瓷

1、氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷中的作用

氧化鋯有單斜相、四方相和立方相三種晶型。三種晶型相互轉(zhuǎn)化會伴隨著體積的膨脹或收縮，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定，須采取穩(wěn)定化措施。將稀土氧化物作為穩(wěn)定劑加入到氧化鋯中，經(jīng)高溫處理后可形成穩(wěn)定的立方型的氧化鋯固溶體，還能提高它的韌性、強(qiáng)度和導(dǎo)電率等性能。其中稀土氧化物如CeO₂、Gd₂O₃或Yb₂O₃被認(rèn)為是有效的穩(wěn)定劑。此外，稀土氧化物添加到氧化鋯陶瓷中作為燒結(jié)助劑和穩(wěn)定劑使用時(shí)，還可降低燒結(jié)溫度和促進(jìn)燒結(jié)。

氧化鋯珠

2、在彩色氧化鋯陶瓷中的作用

彩色氧化鋯陶瓷因少量稀土元素的添加，使其保持良好的力學(xué)性能的同時(shí)又具有優(yōu)異的光學(xué)顯色，具有色澤鮮艷、不褪色、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于通訊、裝飾、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

彩色氧化鋯陶瓷

氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷基于優(yōu)異的性能在高溫陶瓷軸承，雷達(dá)天線罩，核反應(yīng)堆的支撐件和化工過程中耐腐蝕部件等方面實(shí)用性較強(qiáng)。純氮化硅很難燒結(jié)，引入稀土元素氧化物燒結(jié)助劑可因復(fù)雜氧化物、氮化物的形成而在陶瓷結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生晶間相，使氮化硅材料在較高溫度下具有良好的性能。稀土氧化物在氮化硅陶瓷中的作用機(jī)制可歸納為：

（1）稀土氧化物與氮化硅陶瓷中雜質(zhì)氧生成復(fù)合氧化物可有效去除氧雜質(zhì)，達(dá)到凈化的效果，從而改善氮化硅陶瓷的性能；

（2）添加稀土氧化物有利于β-Si₃N₄晶型的生成，大的柱狀晶的長徑比具有自增韌補(bǔ)強(qiáng)作用，可提高其力學(xué)性能。

氮化硅陶瓷

段于森等研究了稀土氧化物(Re₂O₃)和氧化鈦(TiO₂)燒結(jié)助劑體系對氮化硅陶瓷性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)該體系對氮化硅陶瓷的致密度和熱導(dǎo)率均有積極影響，隨著稀土離子半徑的增大，材料的致密度和熱導(dǎo)率均呈現(xiàn)下降趨勢。

氮化鋁陶瓷

AlN由于高熱導(dǎo)率、可靠電絕緣性、低介電常數(shù)和介電損耗、無毒以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特性被用于集成電路和電子元器件中的承載基片、LED散熱基板和高溫半導(dǎo)體封裝的電子基板材料。由于AlN屬于共價(jià)化合物，熔點(diǎn)高，原子自擴(kuò)散系數(shù)小，很難制備高致密度的純AlN陶瓷，燒結(jié)溫度一般高于1800℃。提高燒結(jié)溫度和延長燒結(jié)時(shí)間會增加AlN陶瓷的燒結(jié)成本、促進(jìn)AlN晶粒生長和惡化AlN陶瓷的機(jī)械性能。

通常使用Y₂O₃、Sm₂O₃等稀土氧化物作為燒結(jié)助劑來促進(jìn)燒結(jié)，降低AlN晶格氧含量，提高AlN陶瓷熱導(dǎo)率。Y₂O₃驅(qū)氧能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，燒結(jié)溫度高于1760℃時(shí)可與Al₂O₃形成共晶液相；Sm₂O₃作為燒結(jié)助劑制備的AlN陶瓷擁有高熱導(dǎo)率和良好的機(jī)械性能。

碳化硅陶瓷

碳化硅的自擴(kuò)散系數(shù)小，在不添加燒結(jié)助劑的情況下很難燒結(jié)，即使在高溫高壓下，也很難燒結(jié)出致密的組織。燒結(jié)助劑的加入可形成液相，降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)燒結(jié)體組織致密化，且能改善碳化硅的純度、粒度和相組成。例如，添加Al₂O₃-Y₂O₃不僅可以提高碳化硅陶瓷的致密性，而且可改善陶瓷的脆性、強(qiáng)度和硬度等。

氧化鎂陶瓷

MgO陶瓷可以作為金屬及其合金的理想冶煉容器。然而氧化鎂陶瓷的熱膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)致燒結(jié)性能太差，抗熱震性能也較差。通過改變燒結(jié)工藝和加入添加劑，氧化鎂陶瓷的性能有所改變。將Y₂O₃、CeO₂等稀土氧化物加入MgO陶瓷中，陶瓷的燒結(jié)性能與抗熱震性能性能可得到較大程度提升。

碳化硼陶瓷

碳化硼的硬度高、熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性優(yōu)良，而被廣泛應(yīng)用于制作中子吸收材料(屏蔽板控制棒等)、防彈材料、溫差電偶和各種噴嘴等。但其脆性大、晶界移動(dòng)阻力大、燒結(jié)溫度過高，碳化硼陶瓷很難燒結(jié)并達(dá)到致密化。為獲得致密的碳化硼陶瓷，燒結(jié)過程常添加稀土氧化物和其他的燒結(jié)助劑，以促進(jìn)燒結(jié)和致密化，并同時(shí)改善陶瓷的強(qiáng)度、韌性和抗氧化性。

碳化硼陶瓷防彈片

對陶瓷結(jié)合劑的影響

陶瓷結(jié)合劑CBN/金剛石超硬磨具具有高速、高效率、高精度、低磨削成本、綠色環(huán)保等優(yōu)異性能，是近年世界各國科研人員的研究熱點(diǎn)。其性能很大程度上取決于陶瓷結(jié)合劑的性能，但陶瓷結(jié)合劑的脆性大，會降低磨具的使用壽命。因此，需對陶瓷結(jié)合劑增強(qiáng)增韌，改善磨具的微觀結(jié)構(gòu)，提高其綜合性能。

其中，引入稀土氧化物是一個(gè)有效的方法。栗正新發(fā)現(xiàn)La₂O₃對結(jié)合劑的耐火度影響較大，Y₂O₃對陶瓷結(jié)合劑的強(qiáng)度有較好的提高作用。侯永改等發(fā)現(xiàn)在鈣鋁硅微晶玻璃體系中引入一定量的Y₂O₃可以降低結(jié)合劑的耐火度、增加流動(dòng)性，同時(shí)Y₂O₃還具有誘導(dǎo)析晶的作用。譚秋虹等以不同體積分?jǐn)?shù)的納米CeO₂、Sm₂O₃、Y₂O₃、La₂O₃、Er₂O₃與基礎(chǔ)結(jié)合劑形成復(fù)合結(jié)合劑，發(fā)現(xiàn)５種納米稀土氧化物均可增加基礎(chǔ)結(jié)合劑的韌性，但Er₂O₃的效果最明顯。

電子陶瓷

1、電容器陶瓷

電容器陶瓷應(yīng)用最廣泛的是以鈦酸鋇和鈦酸鉛基固溶體為主晶相的陶瓷，具有很寬的溫度穩(wěn)定性區(qū)間（-55～125℃），介電常數(shù)在居里溫度處取得最大值，但其與溫度不呈線性關(guān)系。常應(yīng)用于各類電容器、傳感器和超聲換能器等。BST（Ba_0.65Sr_0.35TiO₃）陶瓷的燒結(jié)溫度高于1350℃，摻雜稀土氧化物可改善陶瓷的致密性，加強(qiáng)氣體排出，減少氣孔，改善燒結(jié)性能，降低介電損耗。

2、壓電陶瓷

為減少環(huán)境污染保障人體健康，近年來，無鉛壓電陶瓷的研究受到高度重視。Na_0.5Bi_0.5TiO₃（BNT）基無鉛壓電陶瓷被視為一種很有發(fā)展?jié)摿Φ奶沾刹牧现�一，但BNT陶瓷電導(dǎo)率很高，不易極化，燒結(jié)溫度區(qū)間窄且不易控制，高溫下易揮發(fā)等，因此單純的BNT很難達(dá)到實(shí)用化。摻雜適量的稀土氧化物，可有利于促進(jìn)晶粒的生長，能有效提高陶瓷鐵電、壓電性能。

3、壓敏電阻陶瓷

壓敏電阻陶瓷是指在一定條件下具有非線性伏安特性，其電阻值對電壓變化敏感的半導(dǎo)體陶瓷。壓敏陶瓷用于硅整流器、集成電路和過電壓保護(hù)器件等。中高壓壓敏電阻器應(yīng)用最多的是氧化鋅半導(dǎo)體陶瓷，具有漏電流小，可吸收噪聲，產(chǎn)生浪涌電流等優(yōu)點(diǎn)，主要缺陷為填隙鋅離子。稀土氧化物的添加通過抑制晶粒的長大，可顯著地提高非線性系數(shù)。

透明陶瓷

透明陶瓷既具有良好的透明性，又具有普通陶瓷良好的介電性能、力學(xué)性能和熱導(dǎo)率，加入添加劑如La₂O₃、MgO和ZrO₂等可得到完全致密的組織，還能提高其透光性。

AlON透明陶瓷

例如，在制備Al₂O₃透明陶瓷時(shí)，為了有效提高樣品的力學(xué)性能和光學(xué)性能，會加入MgO與稀土氧化物（如Y₂O₃和La₂O₃），MgO主要是起到抑制晶體異常長大和促進(jìn)燒結(jié)的作用，而稀土氧化物則可以提高材料的力學(xué)性能和抗腐蝕性；稀土離子摻雜的CaF₂材料是一種主要的超強(qiáng)超短激光增益介質(zhì)；稀土摻雜PLZT透明陶瓷具有優(yōu)越的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等特性，可制作上轉(zhuǎn)換器件、調(diào)Q激光器、光學(xué)放大器等。

多孔陶瓷

多孔陶瓷是在高溫下燒制而成的含有大量彼此相通或閉合氣孔結(jié)構(gòu)的陶瓷。稀土氧化物在多孔陶瓷中的作用機(jī)理可歸納為：

（1）添加稀土氧化物可降低固相反應(yīng)溫度，提供液相反應(yīng)環(huán)境，降低黏度，加速物質(zhì)的擴(kuò)散，從而有利于合成泡沫陶瓷的形核與長大；

（2）稀土氧化物離子的半徑大，在遷移過程中不僅限制自身的移動(dòng)速率，而且也會限制其它離子的快速遷移，從而抑制晶粒長大，使組織致密化，提高力學(xué)性能。

生物陶瓷涂層

在外科移植生物醫(yī)用的鈦合金，也大量用于人體組織和器官的再生與修復(fù)。但鈦合金耐磨性、耐蝕性差，缺乏生物活性，容易造成植入體的失效等缺點(diǎn)限制了其作為生物替代材料的應(yīng)用。Wang C等人采用激光熔覆技術(shù)在6063Al表面制備了添加La₂O₃，Y₂O₃，CeO2的Ni60合金熔覆層。結(jié)果表明，與沒有添加稀土氧化物的Ni60熔覆層相比，添加稀土氧化物的Ni60熔覆層的組織為致密的枝晶，晶粒明顯細(xì)小，沒有明顯的孔隙和裂紋而且磨損性能得到明顯的改善。

小結(jié)

目前，為滿足日益發(fā)展的高端技術(shù)需求，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化陶瓷材料的組織，改善其機(jī)械性能和熱性能等服役性能以及光學(xué)和生物學(xué)等功能性質(zhì)。在諸多改善措施中，向陶瓷基體中添加稀土氧化物，不僅可改善陶瓷材料的燒結(jié)性，優(yōu)化其組織，還能提高其機(jī)械性能和功能性質(zhì)，已經(jīng)成為陶瓷材料領(lǐng)域重要的研發(fā)方向之一。

參考來源：

[1]尹月等.稀土氧化物在陶瓷材料中的應(yīng)用硏究新進(jìn)展

[2]韓丹等.稀土彩色氧化鋯陶瓷的研究進(jìn)展

[3]施佳鑫等.稀土對激光熔覆生物陶瓷涂層性能的影響

[4]譚秋虹等.納米稀土氧化物對陶瓷結(jié)合劑的強(qiáng)韌化

[5]鄭博等.稀土CeO₂對氧化鎂陶瓷燒結(jié)性能和抗熱震性能的影響

[6]段于森等.稀土氧化物對常壓燒結(jié)氮化硅陶瓷性能的影響

[7]付鵬等.稀土氧化物在陶瓷材料中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

[8]黃林蕓等.稀土氧化物對SPS燒結(jié)AlN陶瓷電性能的影響

[9]畢紅雨等.稀土氧化物在氮化硅陶瓷中應(yīng)用的研究進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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