【知识】稀土在功能陶瓷新材料中的应用

一、稀土与功能陶瓷

稀土，是包括15个镧系元素和钪、钇共17个金属元素的总称。稀土元素自18世纪末相继被人们发现以来，已在冶金、陶瓷、玻璃、石化、印染、农林等行业得到广泛应用。随着科学技术的进步，稀土的应用范围不断扩大。特别是近20余年来，稀土在高新技术领域的应用得到了迅猛发展。稀土在功能陶瓷中的应用，就是其中的一个重要方面。

功能陶瓷，是20世纪特别是第二次世界大战以后随着电子信息、自动控制、传感技术、生物工程、环境科学等领域的发展而开发形成的新型陶瓷材料，它可利用电、磁、声、光、热、力等直接效应及耦合效应所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能。因功能陶瓷的品种类型繁多，性能特点丰富且适用面广，现已在电器装置、信号处理、传感计测、半导体元件、超导材料等方面得到广泛应用，倍受相关材料研究人员和生产者们的普遍关注。

稀土与功能陶瓷有着密切的关系。众所周知的超导陶瓷中大部分都含有稀土，如钇钡铜氧（YBCO）就是一种具有优良高温超导性的氧化物陶瓷，它可将所需的环境工作温度由低温超导材料的液氦区（Tc=4.2K）提高到液氮区（Tc=77K）以上，极大地提升了超导材料的实用价值。同时，在许多功能陶瓷的原料中掺加一定的稀土元素，不但可改善陶瓷的烧结性、致密度、强度等，更重要的是可使其特有的功能效应得到显著提高。

二、稀土在功能陶瓷中的应用

（一）在超导陶瓷中的应用

自1987年中、日、美等国材料科学家发现氧化物陶瓷钇钡铜氧（YBCO）具有优良的高温超导性（Tc高达92K）以来，人们在稀土高温超导陶瓷的性能研究及应用开发方面做了大量工作，并取得了许多重大进展，

日本已有研究表明，用Nd、Sm、Eu、Gd等轻稀土（Ln）取代YBCO中的Y后，所得超导陶瓷材料LnBCO的临界磁场强度显著提高，磁通钉扎力也大为增强，在电力、储能和运输等方面极具实用价值。如经一定生产工艺所制得的LnBCO块材，能在77K捕集大于10T的磁场，可代替Nd-Ti用作磁悬浮列车的磁体。

北京大学以ZrO2为衬底并加热至约200℃，分别将Y（或其它稀土）、Ba的氧化物和Cu分层蒸发在衬底上进行扩散处理，并于800～900℃温度区间热处理，所制得的超导陶瓷在100K以上表现出具有良好的金属性电阻温度系数。日本鹿儿岛大学将稀土La掺加到Sr、Nb氧化物中所制成的陶瓷薄膜，在255K即发生超导现象。

（二）在压电陶瓷中的应用

钛酸铅（PbTiO3）是一种典型的具备机械能-电能耦合效应的压电陶瓷，其居里温度高（490℃）、介电常数低，适于高温和高频条件下应用。但在其制备冷却过程中，因产生立方-四方相变而易出现显微裂纹。为了解决这一问题，采用稀土对其进行改性，经1150℃温度烧结后可获得相对密度为99%的RE-PbTiO3陶瓷，显微组织得到明显改善，可用于制造在75MHZ的高频条件下工作的换能器阵列。分析认为，由于稀土离子RE3+的置换作用，使PbTiO3陶瓷介电常数减小及压电各向异性(kt/kp)增强，特别适用于电子扫描医用超声系统中的换能器。并且因陶瓷的介电常数和径向机电耦合系数减小，其高频谐振峰变得单纯，利于制造高灵敏度、高分辨率的超声换能器。

在具有高压电系数的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷中，通过添加La2O3、Sm2O3、Nd2O3等稀土氧化物，可明显改善PZT陶瓷的烧结性能并利于获得稳定的电学性能和压电性能，这是因为用三价的La3+、Sm3+、Nd3+等稀土离子取代了PZT中A位的Pb2+后，使PZT陶瓷的电物理特性发生了一系列变化。此外，还可通过添加少量稀土氧化物CeO2来改善PZT陶瓷的性能，且CeO2的添加量以0.2%～0.5%为宜。掺加CeO2后PZT陶瓷的体积电阻率升高，利于工艺上实现高温和高电场下极化，其抗时间老化和抗温度老化等性能也均得到改善。经稀土改性的PZT陶瓷，现已在高压发生器、超声发生器、水声换能器等装置中得到广泛应用。

（三）在导电陶瓷中的应用

以稀土氧化物Y2O3作添加剂的钇稳定化氧化锆(YSZ)陶瓷，高温下具有良好的热稳定性和化学稳定性，是较好的氧离子导体，在离子导电陶瓷中具有突出地位。YSZ陶瓷传感器，已成功用于测量汽车尾气中的氧分压，有效控制空气/燃料比，节能效果显著，在工业锅炉、熔炼炉、焚化炉等以燃烧为主的设备中得到了广泛应用。YSZ陶瓷还可用作高温固体氧化物燃料电池(SOFC)中的电解质材料，使用较多的为Zr0.9Y0.1O1.95。因SOFC采用固体电解质，故不存在其他燃料电池所涉及的电解质处理问题，并且转换效率接近60%。此外，掺加有稀土的LaCr0.9Mg0.1O3、La0.85Sr0.15MnO3陶瓷及Ni-Zr(Y)O2-X金属陶瓷薄层，还可分别用作SOFC电池中的双极性极板、多孔阴极和多孔阳极材料。


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