【知識】稀土在功能陶瓷新材料中的應用

一、稀土與功能陶瓷

稀土，是包括15個鑭系元素和鈧、釔共17個金屬元素的總稱。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。隨著科學技術的進步，稀土的應用範圍不斷擴大。特別是近20餘年來，稀土在高新技術領域的應用得到了迅猛發展。稀土在功能陶瓷中的應用，就是其中的一個重要方面。

功能陶瓷，是20世紀特別是第二次世界大戰以後隨著電子資訊、自動控制、傳感技術、生物工程、環境科學等領域的發展而開發形成的新型陶瓷材料，它可利用電、磁、聲、光、熱、力等直接效應及耦合效應所提供的一種或多種性質來實現某種使用功能。因功能陶瓷的品種類型繁多，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的普遍關注。

稀土與功能陶瓷有著密切的關係。眾所周知的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的氧化物陶瓷，它可將所需的環境工作溫度由低溫超導材料的液氦區（Tc=4.2K）提高到液氮區（Tc=77K）以上，極大地提升了超導材料的實用價值。同時，在許多功能陶瓷的原料中摻加一定的稀土元素，不但可改善陶瓷的燒結性、緻密度、強度等，更重要的是可使其特有的功能效應得到顯著提高。

二、稀土在功能陶瓷中的應用

（一）在超導陶瓷中的應用

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）具有優良的高溫超導性（Tc高達92K）以來，人們在稀土高溫超導陶瓷的性能研究及應用開發方面做了大量工作，並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中的Y後，所得超導陶瓷材料LnBCO的臨界磁場強度顯著提高，磁通釘紮力也大為增強，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的LnBCO塊材，能在77K捕集大於10T的磁場，可代替Nd-Ti用作磁懸浮列車的磁體。

北京大學以ZrO2為襯底並加熱至約200℃，分別將Y（或其他稀土）、Ba的氧化物和Cu分層蒸發在襯底上進行擴散處理，並於800～900℃溫度區間熱處理，所制得的超導陶瓷在100K以上表現出具有良好的金屬性電阻溫度係數。日本鹿兒島大學將稀土La摻加到Sr、Nb氧化物中所製成的陶瓷薄膜，在255K即發生超導現象。

（二）在壓電陶瓷中的應用

鈦酸鉛（PbTiO3）是一種典型的具備機械能-電能耦合效應的壓電陶瓷，其居裏溫度高（490℃）、介電常數低，適於高溫和高頻條件下應用。但在其製備冷卻過程中，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，採用稀土對其進行改性，經1150℃溫度燒結後可獲得相對密度為99%的RE-PbTiO3陶瓷，顯微組織得到明顯改善，可用於製造在75MHZ的高頻條件下工作的換能器陣列。分析認為，由於稀土離子RE3+的置換作用，使PbTiO3陶瓷介電常數減小及壓電各向異性(kt/kp)增強，特別適用於電子掃描醫用超聲系統中的換能器。並且因陶瓷的介電常數和徑向機電耦合係數減小，其高頻諧振峰變得單純，利於製造高靈敏度、高解析度的超聲換能器。

在具有高壓電係數的鋯鈦酸鉛（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陶瓷的燒結性能並利於獲得穩定的電學性能和壓電性能，這是因為用三價的La3+、Sm3+、Nd3+等稀土離子取代了PZT中A位的Pb2+後，使PZT陶瓷的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陶瓷的性能，且CeO2的添加量以0.2%～0.5%為宜。摻加CeO2後PZT陶瓷的體積電阻率升高，利於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。經稀土改性的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。

（三）在導電陶瓷中的應用

以稀土氧化物Y2O3作添加劑的釔穩定化氧化鋯(YSZ)陶瓷，高溫下具有良好的熱穩定性和化學穩定性，是較好的氧離子導體，在離子導電陶瓷中具有突出地位。YSZ陶瓷感測器，已成功用於測量汽車尾氣中的氧分壓，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的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)中的電解質材料，使用較多的為Zr0.9Y0.1O1.95。因SOFC採用固體電解質，故不存在其他燃料電池所涉及的電解質處理問題，並且轉換效率接近60%。此外，摻加有稀土的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電池中的雙極性極板、多孔陰極和多孔陽極材料。


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