稀土作为功能陶瓷新材料应用的发展前景

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1、稀土作为功能陶瓷新材料应用的发展前景一、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，20世纪特别是第二次世界大战以后随着电子信息、是自动控制、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

2、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

3、能陶瓷中的应用8/81、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℃

4、，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。2、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-PbT

5、iO3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8/8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PZ

6、T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。3、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

7、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。然而，YS