中国粉体网讯 陶瓷材料作为三大固体材料之一，在高尖端技术领域的需求日益增加，且伴随着更严苛的性能要求，如何改善陶瓷材料的整体使用性能备受关注。大量实践证明，将稀土氧化物科学的加入到不同的陶瓷材料中，可以极大地提高和改善陶瓷材料的强度、韧性等性能，降低其烧结温度，从而降低生产成本。
目前，稀土氧化物已经成为先进陶瓷生产中必不可少的添加材料。
稀土氧化物在陶瓷材料中的应用，主要是作为添加物来改进陶瓷材料的烧结性、致密性、显微结构和晶相组成等，从而在极大程度上改善了它们的力学、电学、光学或热学性能，以满足不同场合下使用的陶瓷材料的质量要求和性能要求。稀土氧化物在陶瓷材料中的作用机理主要有以下三种:
（1）作为熔剂可促进烧结；
（2）改善陶瓷微观结构；
（3）掺杂改性。
氧化铝陶瓷
氧化铝陶瓷是应用最为广泛的陶瓷材料。研究表明，稀土氧化物的加入可与基体形成液相或固溶体，降低烧结温度，改善其力学性能。常用的稀土氧化物添加剂有Dy2O3、Y2O3、La2O3、Ce2O3、Sm2O3、Nd2O3、Tb4O7和Eu2O3等。
氧化铝陶瓷
1、对显微结构的影响
将La2O3、Y2O3、CeO2掺杂后，晶粒尺寸会减小，说明稀土氧化物有细化晶粒的作用，但是随着稀土氧化物掺量的增加，陶瓷晶粒尺寸都逐渐增大，同时，液相量也逐渐增加。
2、对硬度的影响
用La2O3、Y2O3等稀土氧化物掺杂的氧化铝陶瓷硬度随着掺量的增加都呈现先增加后降低的趋势，这种现象可能的原因是：适量的稀土氧化物添加可以细化晶粒，同时增加液相量，填充晶粒间隙，使致密度上升，硬度增加，但是随着稀土氧化物的过量添加，晶粒尺寸增大、间隙增多对致密度和硬度的负面作用难以抵消，表现为硬度逐渐降低。
3、对摩擦磨损性能的影响
王韬等研究发现，氧化铝陶瓷磨损表面经历了4个过程：晶粒的断裂和拔出、摩擦层形成、摩擦层面积增加和裂纹的增加，氧化铝陶瓷磨损机制以磨粒磨损为主，适量的稀土氧化物掺杂可以提高陶瓷的耐磨性。
4、对氧化铝陶瓷相对密度的影响
经研究发现，随着掺杂量的不同，Y2O3、CeO2掺杂的氧化铝陶瓷相对密度都呈现先升高后降低的趋势。同时发现添加Y2O3的氧化铝陶瓷相对密度比掺杂CeO2和La2O3的氧化铝低。
氧化锆陶瓷
1、氧化锆结构陶瓷中的作用
氧化锆有单斜相、四方相和立方相三种晶型。三种晶型相互转化会伴随着体积的膨胀或收缩，导致性能不稳定，须采取稳定化措施。将稀土氧化物作为稳定剂加入到氧化锆中，经高温处理后可形成稳定的立方型的氧化锆固溶体，还能提高它的韧性、强度和导电率等性能。其中稀土氧化物如CeO2、Gd2O3或Yb2O3被认为是有效的稳定剂。此外，稀土氧化物添加到氧化锆陶瓷中作为烧结助剂和稳定剂使用时，还可降低烧结温度和促进烧结。
氧化锆珠
2、在彩色氧化锆陶瓷中的作用
彩色氧化锆陶瓷因少量稀土元素的添加，使其保持良好的力学性能的同时又具有优异的光学显色，具有色泽鲜艳、不褪色、耐磨损等优点，广泛用于通讯、装饰、生物医学等领域。
彩色氧化锆陶瓷
氮化硅陶瓷
氮化硅陶瓷基于优异的性能在高温陶瓷轴承，雷达天线罩，核反应堆的支撑件和化工过程中耐腐蚀部件等方面实用性较强。纯氮化硅很难烧结，引入稀土元素氧化物烧结助剂可因复杂氧化物、氮化物的形成而在陶瓷结构中产生晶间相，使氮化硅材料在较高温度下具有良好的性能。稀土氧化物在氮化硅陶瓷中的作用机制可归纳为：
（1）稀土氧化物与氮化硅陶瓷中杂质氧生成复合氧化物可有效去除氧杂质，达到净化的效果，从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，大的柱状晶的长径比具有自增韧补强作用，可提高其力学性能。
氮化硅陶瓷
段于森等研究了稀土氧化物(Re2O3)和氧化钛(TiO2)烧结助剂体系对氮化硅陶瓷性能的影响，研究发现该体系对氮化硅陶瓷的致密度和热导率均有积极影响，随着稀土离子半径的增大，材料的致密度和热导率均呈现下降趋势。
氮化铝陶瓷
AlN由于高热导率、可靠电绝缘性、低介电常数和介电损耗、无毒以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良特性被用于集成电路和电子元器件中的承载基片、LED散热基板和高温半导体封装的电子基板材料。由于AlN属于共价化合物，熔点高，原子自扩散系数小，很难制备高致密度的纯AlN陶瓷，烧结温度一般高于1800℃。提高烧结温度和延长烧结时间会增加AlN陶瓷的烧结成本、促进AlN晶粒生长和恶化AlN陶瓷的机械性能。
通常使用Y2O3、Sm2O3等稀土氧化物作为烧结助剂来促进烧结，降低AlN晶格氧含量，提高AlN陶瓷热导率。Y2O3驱氧能力强，稳定性好，烧结温度高于1760℃时可与Al2O3形成共晶液相；Sm2O3作为烧结助剂制备的AlN陶瓷拥有高热导率和良好的机械性能。
碳化硅陶瓷
碳化硅的自扩散系数小，在不添加烧结助剂的情况下很难烧结，即使在高温高压下，也很难烧结出致密的组织。烧结助剂的加入可形成液相，降低烧结温度，促进烧结体组织致密化，且能改善碳化硅的纯度、粒度和相组成。例如，添加Al2O3-Y2O3不仅可以提高碳化硅陶瓷的致密性，而且可改善陶瓷的脆性、强度和硬度等。
氧化镁陶瓷
MgO陶瓷可以作为金属及其合金的理想冶炼容器。然而氧化镁陶瓷的热膨胀系数较大，导致烧结性能太差，抗热震性能也较差。通过改变烧结工艺和加入添加剂，氧化镁陶瓷的性能有所改变。将Y2O3、CeO2等稀土氧化物加入MgO陶瓷中，陶瓷的烧结性能与抗热震性能性能可得到较大程度提升。
碳化硼陶瓷
碳化硼的硬度高、熔点高、热膨胀系数低、热稳定性优良，而被广泛应用于制作中子吸收材料(屏蔽板控制棒等)、防弹材料、温差电偶和各种喷嘴等。但其脆性大、晶界移动阻力大、烧结温度过高，碳化硼陶瓷很难烧结并达到致密化。为获得致密的碳化硼陶瓷，烧结过程常添加稀土氧化物和其他的烧结助剂，以促进烧结和致密化，并同时改善陶瓷的强度、韧性和抗氧化性。
碳化硼陶瓷防弹片
对陶瓷结合剂的影响
陶瓷结合剂CBN/金刚石超硬磨具具有高速、高效率、高精度、低磨削成本、绿色环保等优异性能，是近年世界各国科研人员的研究热点。其性能很大程度上取决于陶瓷结合剂的性能，但陶瓷结合剂的脆性大，会降低磨具的使用寿命。因此，需对陶瓷结合剂增强增韧，改善磨具的微观结构，提高其综合性能。
其中，引入稀土氧化物是一个有效的方法。栗正新发现La2O3对结合剂的耐火度影响较大，Y2O3对陶瓷结合剂的强度有较好的提高作用。侯永改等发现在钙铝硅微晶玻璃体系中引入一定量的Y2O3可以降低结合剂的耐火度、增加流动性，同时Y2O3还具有诱导析晶的作用。谭秋虹等以不同体积分数的纳米CeO2、Sm2O3、Y2O3、La2O3、Er2O3与基础结合剂形成复合结合剂，发现５种纳米稀土氧化物均可增加基础结合剂的韧性，但Er2O3的效果最明显。
电子陶瓷
1、电容器陶瓷
电容器陶瓷应用最广泛的是以钛酸钡和钛酸铅基固溶体为主晶相的陶瓷，具有很宽的温度稳定性区间（-55～125℃），介电常数在居里温度处取得最大值，但其与温度不呈线性关系。常应用于各类电容器、传感器和超声换能器等。BST（Ba0.65Sr0.35TiO3）陶瓷的烧结温度高于1350℃，掺杂稀土氧化物可改善陶瓷的致密性，加强气体排出，减少气孔，改善烧结性能，降低介电损耗。
2、压电陶瓷
为减少环境污染保障人体健康，近年来，无铅压电陶瓷的研究受到高度重视。Na0.5Bi0.5TiO3（BNT）基无铅压电陶瓷被视为一种很有发展潜力的陶瓷材料之一，但BNT陶瓷电导率很高，不易极化，烧结温度区间窄且不易控制，高温下易挥发等，因此单纯的BNT很难达到实用化。掺杂适量的稀土氧化物，可有利于促进晶粒的生长，能有效提高陶瓷铁电、压电性能。
3、压敏电阻陶瓷
压敏电阻陶瓷是指在一定条件下具有非线性伏安特性，其电阻值对电压变化敏感的半导体陶瓷。压敏陶瓷用于硅整流器、集成电路和过电压保护器件等。中高压压敏电阻器应用最多的是氧化锌半导体陶瓷，具有漏电流小，可吸收噪声，产生浪涌电流等优点，主要缺陷为填隙锌离子。稀土氧化物的添加通过抑制晶粒的长大，可显著地提高非线性系数。
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电性能、力学性能和热导率，加入添加剂如La2O3、MgO和ZrO2等可得到完全致密的组织，还能提高其透光性。
AlON透明陶瓷
例如，在制备Al2O3透明陶瓷时，为了有效提高样品的力学性能和光学性能，会加入MgO与稀土氧化物（如Y2O3和La2O3），MgO主要是起到抑制晶体异常长大和促进烧结的作用，而稀土氧化物则可以提高材料的力学性能和抗腐蚀性；稀土离子掺杂的CaF2材料是一种主要的超强超短激光增益介质；稀土掺杂PLZT透明陶瓷具有优越的电学、光学、热学等特性，可制作上转换器件、调Q激光器、光学放大器等。
多孔陶瓷
多孔陶瓷是在高温下烧制而成的含有大量彼此相通或闭合气孔结构的陶瓷。稀土氧化物在多孔陶瓷中的作用机理可归纳为：
（1）添加稀土氧化物可降低固相反应温度，提供液相反应环境，降低黏度，加速物质的扩散，从而有利于合成泡沫陶瓷的形核与长大；
（2）稀土氧化物离子的半径大，在迁移过程中不仅限制自身的移动速率，而且也会限制其它离子的快速迁移，从而抑制晶粒长大，使组织致密化，提高力学性能。
生物陶瓷涂层
在外科移植生物医用的钛合金，也大量用于人体组织和器官的再生与修复。但钛合金耐磨性、耐蚀性差，缺乏生物活性，容易造成植入体的失效等缺点限制了其作为生物替代材料的应用。Wang C等人采用激光熔覆技术在6063Al表面制备了添加La2O3，Y2O3，CeO2的Ni60合金熔覆层。结果表明，与没有添加稀土氧化物的Ni60熔覆层相比，添加稀土氧化物的Ni60熔覆层的组织为致密的枝晶，晶粒明显细小，没有明显的孔隙和裂纹而且磨损性能得到明显的改善。
小结
目前，为满足日益发展的高端技术需求，应进一步优化陶瓷材料的组织，改善其机械性能和热性能等服役性能以及光学和生物学等功能性质。在诸多改善措施中，向陶瓷基体中添加稀土氧化物，不仅可改善陶瓷材料的烧结性，优化其组织，还能提高其机械性能和功能性质，已经成为陶瓷材料领域重要的研发方向之一。
参考来源：
[1]尹月等.稀土氧化物在陶瓷材料中的应用硏究新进展
[2]韩丹等.稀土彩色氧化锆陶瓷的研究进展
[3]施佳鑫等.稀土对激光熔覆生物陶瓷涂层性能的影响
[4]谭秋虹等.纳米稀土氧化物对陶瓷结合剂的强韧化
[5]郑博等.稀土CeO2对氧化镁陶瓷烧结性能和抗热震性能的影响
[6]段于森等.稀土氧化物对常压烧结氮化硅陶瓷性能的影响
[7]付鹏等.稀土氧化物在陶瓷材料中应用的研究现状及发展前景
[8]黄林芸等.稀土氧化物对SPS烧结AlN陶瓷电性能的影响
[9]毕红雨等.稀土氧化物在氮化硅陶瓷中应用的研究进展
（中国粉体网编辑整理/山川）
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