中國粉體網訊 陶瓷材料作為三大固體材料之一，在高尖端技術領域的需求日益增加，且伴隨著更嚴苛的性能要求，如何改善陶瓷材料的整體使用性能備受關注。大量實踐證明，將稀土氧化物科學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度、韌性等性能，降低其燒結溫度，從而降低生產成本。
目前，稀土氧化物已經成為先進陶瓷生產中必不可少的添加材料。
稀土氧化物在陶瓷材料中的應用，主要是作為添加物來改進陶瓷材料的燒結性、致密性、顯微結構和晶相組成等，從而在極大程度上改善了它們的力學、電學、光學或熱學性能，以滿足不同場合下使用的陶瓷材料的質量要求和性能要求。稀土氧化物在陶瓷材料中的作用機理主要有以下三種:
（1）作為熔劑可促進燒結；
（2）改善陶瓷微觀結構；
（3）摻雜改性。
氧化鋁陶瓷
氧化鋁陶瓷是應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，降低燒結溫度，改善其力學性能。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、對顯微結構的影響
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，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先增加后降低的趨勢，這種現象可能的原因是：適量的稀土氧化物添加可以細化晶粒，同時增加液相量，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面作用難以抵消，表現為硬度逐漸降低。
3、對摩擦磨損性能的影響
王韜等研究發現，氧化鋁陶瓷磨損表面經歷了4個過程：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
經研究發現，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先升高后降低的趨勢。同時發現添加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、氧化鋯結構陶瓷中的作用
氧化鋯有單斜相、四方相和立方相三種晶型。三種晶型相互轉化會伴隨著體積的膨脹或收縮，導致性能不穩定，須采取穩定化措施。將稀土氧化物作為穩定劑加入到氧化鋯中，經高溫處理后可形成穩定的立方型的氧化鋯固溶體，還能提高它的韌性、強度和導電率等性能。其中稀土氧化物如CeO2、Gd2O3或Yb2O3被認為是有效的穩定劑。此外，稀土氧化物添加到氧化鋯陶瓷中作為燒結助劑和穩定劑使用時，還可降低燒結溫度和促進燒結。
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性能的同時又具有優異的光學顯色，具有色澤鮮艷、不褪色、耐磨損等優點，廣泛用于通訊、裝飾、生物醫學等領域。
彩色氧化鋯陶瓷
氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷基于優異的性能在高溫陶瓷軸承，雷達天線罩，核反應堆的支撐件和化工過程中耐腐蝕部件等方面實用性較強。純氮化硅很難燒結，引入稀土元素氧化物燒結助劑可因復雜氧化物、氮化物的形成而在陶瓷結構中產生晶間相，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制可歸納為：
（1）稀土氧化物與氮化硅陶瓷中雜質氧生成復合氧化物可有效去除氧雜質，達到凈化的效果，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強作用，可提高其力學性能。
氮化硅陶瓷
段于森等研究了稀土氧化物(Re2O3)和氧化鈦(TiO2)燒結助劑體系對氮化硅陶瓷性能的影響，研究發現該體系對氮化硅陶瓷的致密度和熱導率均有積極影響，隨著稀土離子半徑的增大，材料的致密度和熱導率均呈現下降趨勢。
氮化鋁陶瓷
AlN由于高熱導率、可靠電絕緣性、低介電常數和介電損耗、無毒以及與硅相匹配的熱膨脹系數等一系列優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體封裝的電子基板材料。由于AlN屬于共價化合物，熔點高，原子自擴散系數小，很難制備高致密度的純AlN陶瓷，燒結溫度一般高于1800℃。提高燒結溫度和延長燒結時間會增加AlN陶瓷的燒結成本、促進AlN晶粒生長和惡化AlN陶瓷的機械性能。
通常使用Y2O3、Sm2O3等稀土氧化物作為燒結助劑來促進燒結，降低AlN晶格氧含量，提高AlN陶瓷熱導率。Y2O3驅氧能力強，穩定性好，燒結溫度高于1760℃時可與Al2O3形成共晶液相；Sm2O3作為燒結助劑制備的AlN陶瓷擁有高熱導率和良好的機械性能。
碳化硅陶瓷
碳化硅的自擴散系數小，在不添加燒結助劑的情況下很難燒結，即使在高溫高壓下，也很難燒結出致密的組織。燒結助劑的加入可形成液相，降低燒結溫度，促進燒結體組織致密化，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較大，導致燒結性能太差，抗熱震性能也較差。通過改變燒結工藝和加入添加劑，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、熔點高、熱膨脹系數低、熱穩定性優良，而被廣泛應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、晶界移動阻力大、燒結溫度過高，碳化硼陶瓷很難燒結并達到致密化。為獲得致密的碳化硼陶瓷，燒結過程常添加稀土氧化物和其他的燒結助劑，以促進燒結和致密化，并同時改善陶瓷的強度、韌性和抗氧化性。
碳化硼陶瓷防彈片
對陶瓷結合劑的影響
陶瓷結合劑CBN/金剛石超硬磨具具有高速、高效率、高精度、低磨削成本、綠色環保等優異性能，是近年世界各國科研人員的研究熱點。其性能很大程度上取決于陶瓷結合劑的性能，但陶瓷結合劑的脆性大，會降低磨具的使用壽命。因此，需對陶瓷結合劑增強增韌，改善磨具的微觀結構，提高其綜合性能。
其中，引入稀土氧化物是一個有效的方法。栗正新發現La2O3對結合劑的耐火度影響較大，Y2O3對陶瓷結合劑的強度有較好的提高作用。侯永改等發現在鈣鋁硅微晶玻璃體系中引入一定量的Y2O3可以降低結合劑的耐火度、增加流動性，同時Y2O3還具有誘導析晶的作用。譚秋虹等以不同體積分數的納米CeO2、Sm2O3、Y2O3、La2O3、Er2O3與基礎結合劑形成復合結合劑，發現５種納米稀土氧化物均可增加基礎結合劑的韌性，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，具有很寬的溫度穩定性區間（-55～125℃），介電常數在居里溫度處取得最大值，但其與溫度不呈線性關系。常應用于各類電容器、傳感器和超聲換能器等。BST（Ba0.65Sr0.35TiO3）陶瓷的燒結溫度高于1350℃，摻雜稀土氧化物可改善陶瓷的致密性，加強氣體排出，減少氣孔，改善燒結性能，降低介電損耗。
2、壓電陶瓷
為減少環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。Na0.5Bi0.5TiO3（BNT）基無鉛壓電陶瓷被視為一種很有發展潛力的陶瓷材料之一，但BNT陶瓷電導率很高，不易極化，燒結溫度區間窄且不易控制，高溫下易揮發等，因此單純的BNT很難達到實用化。摻雜適量的稀土氧化物，可有利于促進晶粒的生長，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體陶瓷。壓敏陶瓷用于硅整流器、集成電路和過電壓保護器件等。中高壓壓敏電阻器應用最多的是氧化鋅半導體陶瓷，具有漏電流小，可吸收噪聲，產生浪涌電流等優點，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。
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、力學性能和熱導率，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，為了有效提高樣品的力學性能和光學性能，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燒結的作用，而稀土氧化物則可以提高材料的力學性能和抗腐蝕性；稀土離子摻雜的CaF2材料是一種主要的超強超短激光增益介質；稀土摻雜PLZT透明陶瓷具有優越的電學、光學、熱學等特性，可制作上轉換器件、調Q激光器、光學放大器等。
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構的陶瓷。稀土氧化物在多孔陶瓷中的作用機理可歸納為：
（1）添加稀土氧化物可降低固相反應溫度，提供液相反應環境，降低黏度，加速物質的擴散，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，提高力學性能。
生物陶瓷涂層
在外科移植生物醫用的鈦合金，也大量用于人體組織和器官的再生與修復。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限制了其作為生物替代材料的應用。Wang C等人采用激光熔覆技術在6063Al表面制備了添加La2O3，Y2O3，CeO2的Ni60合金熔覆層。結果表明，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
目前，為滿足日益發展的高端技術需求，應進一步優化陶瓷材料的組織，改善其機械性能和熱性能等服役性能以及光學和生物學等功能性質。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性，優化其組織，還能提高其機械性能和功能性質，已經成為陶瓷材料領域重要的研發方向之一。
參考來源：
[1]尹月等.稀土氧化物在陶瓷材料中的應用硏究新進展
[2]韓丹等.稀土彩色氧化鋯陶瓷的研究進展
[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合劑的強韌化
[5]鄭博等.稀土CeO2對氧化鎂陶瓷燒結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用的研究現狀及發展前景
[8]黃林蕓等.稀土氧化物對SPS燒結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用的研究進展
（中國粉體網編輯整理/山川）
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