稀土元素在結構陶瓷中的應用

稀土元素，是包括15個鑭系元素和鈧、釔共17個金屬元素的總稱，自18世紀末以來，已在冶金、陶瓷、玻璃、石化、印染、農林等行業得到廣泛應用。稀土元素在我國陶瓷工業中的應用始于上世紀30年代，在70 年代稀土在陶瓷材料中的總用量達70t/年,占國內生產總量的2%到3%左右，目前稀土主要應用于結構陶瓷、功能陶瓷、陶瓷色釉料等領域。隨著稀土新材料的不斷開發與應用，將稀土作為添加劑、穩定劑、燒結助劑作用于各種陶瓷材料，極大地改善了其性能、降低了生產成本，使其工業化應用成為可能。

稀土元素在結構陶瓷中的應用

■ 在Al2O3陶瓷中的應用

Al2O3陶瓷由于強度高、耐高溫、絕緣性好、耐磨損、耐腐蝕, 且具有良好的機電性能, 是目前應用最廣泛的結構陶瓷。加入稀土氧化物如Y2O3、La2O3、Sm2O3等可以改善Al2O3復合材料的潤濕性能、降低陶瓷材料的熔點；使材料孔隙率降低，致密度提高；阻礙其他離子遷移, 降低晶界遷移速率, 抑制晶粒生長, 有利于致密結構的形成；使玻璃相的強度得到提高，從而達到改善Al2O3陶瓷力學性能的目的。

■ 在Si3N4陶瓷中的應用

Si3N4陶瓷具有優異的力學性能、熱學性能及化學穩定性，是高溫結構陶瓷中最有應用潛力的材料。由于Si3N4是強共價鍵化合物，這決定了純Si3N4不能靠常規固相燒結達到致密化，所以除用Si 粉直接氮化的反應燒結外，需加入一定量助燒劑制成致密材料。目前制備Si3N4 陶瓷較為理想的燒結助劑是稀土氧化物Y2O3、Nd2O3、La2O3等。這些稀土氧化物一方面與Si3N4粉體表面的微量SiO2 在高溫下反應生成含氮的高溫玻璃相，有效促進Si3N4陶瓷的燒結；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具有高熔點的含Y、La 的結晶化合物，提高了材料的高溫斷裂韌性。

■ 在ZrO2陶瓷中的應用

ZrO2陶瓷的密度大、熔點和硬度較高，尤其是它的抗彎強度和斷裂韌性較高，是所有陶瓷中最高的。由于ZrO2晶型轉化伴有明顯的體積變化，因而限制了直接使用的范圍。隨著研究工作的深入，發現加入稀土氧化物對ZrO2的相變具有更好的抑制穩定作用。常用的稀土氧化物主要是Y2O3、Nd2O3、Ce2O3，其離子半徑與Zr4+ 基本接近，可以與ZrO2 形成單斜、四方和立方晶型的置換型固溶體，這類ZrO2 陶瓷材料具有較好的技術性能指標。如CeO2能和ZrO2形成很寬范圍內的四方氧化鋯固溶體的相區, 是良好的固體電解質材料，Y2O3穩定的ZrO2(YSZ)是一種優良的氧離子導體材料, 在固體氧化物燃料電池(SOFC) 、氧氣傳感器以及甲烷部分氧化膜反應器等方面已獲得廣泛的應用。

■ 在SiC陶瓷中的應用

碳化硅陶瓷具有耐高溫、抗熱震、耐腐蝕、耐磨損、熱傳導性良好及質量輕等特點，是常用的高溫結構陶瓷。SiC 的強共價鍵結合特性決定了其在通常的條件下很難實現燒結致密化，通常需要添加燒結助劑或采用熱壓、熱等靜壓燒結工藝，生產工藝復雜，成本高。無壓燒結SiC 最有效的燒結助劑是Al2O3-Y2O3;以Y3Al5O12 ( 簡稱YAG) 為主要燒結助劑的SiC-YAG陶瓷復合材料，由于在較低溫度下可實現致密化燒結, 因此被認為是最有發展前景的碳化硅陶瓷體系之一。

■ 在AlN陶瓷中的應用

AlN 是共價鍵化合物，熔點較高, 熱導率高、介電常數低、能耐鐵、鋁等金屬和合金的熔蝕，在特殊氣氛中有優異的耐高溫性能，是理想的大規模集成電路基板和封裝材料。由于AlN 是共價鍵，燒結非常困難，而單一的燒結助劑降低燒成溫度的程度有限，故通常使用復合助劑( 稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物) 作為燒結助劑以形成液相促進燒結。另外，燒結助劑還可與AlN中的氧雜質反應，減少因部分氧溶入AlN 點陣中而造成的鋁空位，提高AlN 的熱導率。

■ 在賽隆陶瓷中的應用

賽隆陶瓷是在Si3N4 陶瓷基礎上開發出的一種Si-N-O-Al致密多晶氮化物陶瓷，由Al2O3 中的Al 原子和O 原子部分置換Si3N4 中的Si 原子和N 原子形成，其強度、韌性、抗氧化性能均優于Si3N4 陶瓷，特別適用于陶瓷發動機部件和其它耐磨陶瓷制品。賽隆(Sialon) 材料不易燒結，稀土氧化物的引入有利于在較低溫度下生成液相，有效地促進燒結。同時, 稀土陽離子又能進入α-Si3N4相的晶格中，降低玻璃相的含量并形成晶界相，提高材料的常溫和高溫性能。研究表明，添加1%的Y2O3 可使賽隆陶瓷在高溫燒成時形成一種高溫玻璃相，不僅能促進燒結，還能提高其斷裂韌性，此外添加少量Y2O3 對其抗氧化性也有很大提高。