一,稀土與功能陶瓷

　　稀土,是包括15個鑭系元素和鈧,釔共17個金屬元素總稱.稀土元素自18世紀末相繼被人們發現以來,已在冶金,陶瓷,玻璃,石化,印染,農林等行業得到廣泛應用.隨著科學技術進步,稀土應用范圍不斷擴大.特別是近20余年來,稀土在高新技術領域應用得到了迅猛發展.稀土在功能陶瓷中應用,就是其中一個重要方面. 

　　功能陶瓷,是20世紀特別是第二次世界大戰以后隨著電子信息,自動控制,傳感技術,生物工程,環境科學等領域發展而開發形成新型陶瓷材料,它可利用電,磁,聲,光,熱,力等直接效應及耦合效應所提供一種或多種性質來實現某種使用功能.因功能陶瓷品種類型繁多,性能特點豐富且適用面廣,現已在電器裝置,信號處理,傳感計測,半導體元件,超導材料等方面得到廣泛應用,倍受相關材料研究人員和生產者們普遍關注.

 

　　稀土與功能陶瓷有著密切關系.眾所周知超導陶瓷中大部分都含有稀土,如釔鋇銅氧（YBCO）就是一種具有優良高溫超導性氧化物陶瓷,它可將所需環境工作溫度由低溫超導材料液氦區（Tc=4.2K）提高到液氮區（Tc=77K）以上,極大地提升了超導材料實用價值.同時,在許多功能陶瓷原料中摻加一定稀土元素,不但可改善陶瓷燒結性,致密度,強度等,更重要是可使其特有功能效應得到顯著提高.

二,稀土在功能陶瓷中應用

1．在超導陶瓷中應用 

　　自1987年中,日,美等國材料科學家發現氧化物陶瓷釔鋇銅氧（YBCO）具有優良高溫超導性（Tc高達92K）以來,人們在稀土高溫超導陶瓷性能研究及應用開發方面做了大量工作,并取得了許多重大進展,日本已有研究表明,用Nd,Sm,Eu,Gd等輕稀土（Ln）取代YBCO中Y后,所得超導陶瓷材料LnBCO臨界磁場強度顯著提高,磁通釘扎力也大為增強,在電力,儲能和運輸等方面極具實用價值.如經一定生產工藝所制得LnBCO塊材,能在77K捕集大于10T磁場,可代替Nd-Ti用作磁懸浮列車磁體. 

　　北京大學以ZrO2為襯底并加熱至約200℃,分別將Y（或其它稀土）,Ba氧化物和Cu分層蒸發在襯底上進行擴散處理,并于800～900℃溫度區間熱處理,所制得超導陶瓷在100K以上表現出具有良好金屬性電阻溫度系數.日本鹿兒島大學將稀土La摻加到Sr,Nb氧化物中所制成陶瓷薄膜,在255K即發生超導現象. 

2. 在壓電陶瓷中應用

　　鈦酸鉛（PbTiO3）是一種典型具備機械能-電能耦合效應壓電陶瓷,其居里溫度高（490℃）,介電常數低,適于高溫和高頻條件下應用.但在其制備冷卻過程中,因產生立方-四方相變而易出現顯微裂紋.為了解決這一問題,采用稀土對其進行改性,經1150℃溫度燒結后可獲得相對密度為99%RE-PbTiO3陶瓷,顯微組織得到明顯改善,可用于制造在75MHZ高頻條件下工作換能器陣列.分析認為,由于稀土離子RE3+置換作用,使PbTiO3陶瓷介電常數減小及壓電各向異性(kt/kp)增強,特別適用于電子掃描醫用超聲系統中換能器.并且因陶瓷介電常數和徑向機電耦合系數減小,其高頻諧振峰變得單純,利于制造高靈敏度,高分辨率超聲換能器.

　　在具有高壓電系數鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷中,通過添加La2O3,Sm2O3,Nd2O3等稀土氧化物,可明顯改善PZT陶瓷燒結性能并利于獲得穩定電學性能和壓電性能,這是因為用三價La3+,Sm3+,Nd3+等稀土離子取代了PZT中A位Pb2+后,使PZT陶瓷電物理特性發生了一系列變化.此外,還可通過添加少量稀土氧化物CeO2來改善PZT陶瓷性能,且CeO2添加量以0.2%～0.5%為宜.摻加CeO2后PZT陶瓷體積電阻率升高,利于工藝上實現高溫和高電場下極化,其抗時間老化和抗溫度老化等性能也均得到改善.經稀土改性PZT陶瓷,現已在高壓發生器,超聲發生器,水聲換能器等裝置中得到廣泛應用.

3．在導電陶瓷中應用

　　以稀土氧化物Y2O3作添加劑釔穩定化氧化鋯(YSZ)陶瓷,高溫下具有良好熱穩定性和化學穩定性,是較好氧離子導體,在離子導電陶瓷中具有突出地位.YSZ陶瓷傳感器,已成功用于測量汽車尾氣中氧分壓,有效控制空氣/燃料比,節能效果顯著,在工業鍋爐,熔煉爐,焚化爐等以燃燒為主設備中得到了廣泛應用.YSZ陶瓷還可用作高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)中電解質材料,使用較多為Zr0.9Y0.1O1.95.因SOFC采用固體電解質,故不存在其他燃料電池所涉及電解質處理問題,并且轉換效率接近60%.此外,摻加有稀土LaCr0.9Mg0.1O3,La0.85Sr0.15MnO3陶瓷及Ni-Zr(Y)O2-X金屬陶瓷薄層,還可分別用作SOFC電池中雙極性極板,多孔陰極和多孔陽極材料.

　　然而,YSZ陶瓷只有在高于900℃時才表現出較高離子導電率,故其應用仍受到一定限制.現有研究發現,在具有更高離子導電率Bi2O3陶瓷中,摻加適量Y2O3或Gd2O3,可使Bi2O3面心立方相穩定到室溫,同時X射線衍射圖譜也已表明,(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35均為穩定面心立方結構高氧離子導電相.在這種陶瓷側面再鍍上(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08保護膜后,即可制備組裝成離子導電性高,穩定性好且能在中溫條件下（500 ~800℃）工作燃料電池和氧傳感器,利于解決高溫技術所帶來困難. 

4．在介電陶瓷中應用

　　介電陶瓷主要用于制作陶瓷電容器和微波介質元件.在TiO2,MgTiO3,BaTiO3等介電陶瓷及其復合介電陶瓷中,添加La,Nd,Dy等稀土能顯著改善其介電性能.

　　如在具有高介電常數BaTiO3陶瓷中,添加介電常數值ε=30~60La,Nd稀土化合物,可使其介電常數在寬溫度范圍內保持穩定,器件使用壽命顯著提高.在熱補償電容器用介電陶瓷中,還可根據需要適當地摻加稀土,實現對陶瓷介電常數,溫度系數,品質因數改善或調節,擴大其應用范圍.用La2O3對熱穩定電容器鈦酸鎂陶瓷進行改性,所獲得MgO·TiO2-La2O3-TiO2系陶瓷和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系陶瓷,即保持了原有介電損耗和溫度系數小特點,其介電常數也得到了顯著提高.

　　微波介質陶瓷品種繁多,摻加有稀土氧化物BaO-RE2O3-TiO2系陶瓷就是一種應用較為普遍介質材料,其介電常數ε可超過80.如MgTiO3-CaTiO3-La2O3陶瓷品質因數Qε值可高達8000,而Nd2Ti2O7-(BaPb)TiO3-TiO2陶瓷介電常數ε則可達到90.由于新技術應用,隨著BaO-TiO2-SnO2-RE2O3系等新型陶瓷開發,近年內微波陶瓷介質材料主要技術指標渴望達到:Qε值約比目前提高一個數量級,即在微波頻率下為10000；ε在2~2000范圍內系列化,以適應多種用途；溫度系數αε則在300~-100范圍內系列化,可更方便地獲得零溫度系數介質諧振器和濾波器等微波器件.

5．在敏感陶瓷中應用

　　敏感陶瓷是功能陶瓷中重要一種,其特征是對某些外界條件如電壓,氣體成分,溫度,濕度等反應敏感,故可通過其相關電性能參數反應或變化來實現對電路,操作過程或環境監控,廣泛用于控制電路傳感元件,因此又被稱為傳感器陶瓷.稀土與這類陶瓷性能之間存在著密切關系.

 

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