稀土元素在結(jié)構(gòu)陶瓷中的應(yīng)用

稀土元素，是包括15個(gè)鑭系元素和鈧、釔共17個(gè)金屬元素的總稱，自18世紀(jì)末以來，已在冶金、陶瓷、玻璃、石化、印染、農(nóng)林等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。稀土元素在我國(guó)陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用始于上世紀(jì)30年代，在70 年代稀土在陶瓷材料中的總用量達(dá)70t/年,占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總量的2%到3%左右，目前稀土主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、陶瓷色釉料等領(lǐng)域。隨著稀土新材料的不斷開發(fā)與應(yīng)用，將稀土作為添加劑、穩(wěn)定劑、燒結(jié)助劑作用于各種陶瓷材料，極大地改善了其性能、降低了生產(chǎn)成本，使其工業(yè)化應(yīng)用成為可能。

稀土元素在結(jié)構(gòu)陶瓷中的應(yīng)用

■ 在Al2O3陶瓷中的應(yīng)用

Al2O3陶瓷由于強(qiáng)度高、耐高溫、絕緣性好、耐磨損、耐腐蝕, 且具有良好的機(jī)電性能, 是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)陶瓷。加入稀土氧化物如Y2O3、La2O3、Sm2O3等可以改善Al2O3復(fù)合材料的潤(rùn)濕性能、降低陶瓷材料的熔點(diǎn)；使材料孔隙率降低，致密度提高；阻礙其他離子遷移, 降低晶界遷移速率, 抑制晶粒生長(zhǎng), 有利于致密結(jié)構(gòu)的形成；使玻璃相的強(qiáng)度得到提高，從而達(dá)到改善Al2O3陶瓷力學(xué)性能的目的。

■ 在Si3N4陶瓷中的應(yīng)用

Si3N4陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷中最有應(yīng)用潛力的材料。由于Si3N4是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，這決定了純Si3N4不能靠常規(guī)固相燒結(jié)達(dá)到致密化，所以除用Si 粉直接氮化的反應(yīng)燒結(jié)外，需加入一定量助燒劑制成致密材料。目前制備Si3N4 陶瓷較為理想的燒結(jié)助劑是稀土氧化物Y2O3、Nd2O3、La2O3等。這些稀土氧化物一方面與Si3N4粉體表面的微量SiO2 在高溫下反應(yīng)生成含氮的高溫玻璃相，有效促進(jìn)Si3N4陶瓷的燒結(jié)；一方面形成具有高耐火度和粘度的Y-La-Si-O-N玻璃晶界，具有較高的高溫抗彎強(qiáng)度和較好的抗氧化性能，并且在高溫條件下易析出具有高熔點(diǎn)的含Y、La 的結(jié)晶化合物，提高了材料的高溫?cái)嗔秧g性。

■ 在ZrO2陶瓷中的應(yīng)用

ZrO2陶瓷的密度大、熔點(diǎn)和硬度較高，尤其是它的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性較高，是所有陶瓷中最高的。由于ZrO2晶型轉(zhuǎn)化伴有明顯的體積變化，因而限制了直接使用的范圍。隨著研究工作的深入，發(fā)現(xiàn)加入稀土氧化物對(duì)ZrO2的相變具有更好的抑制穩(wěn)定作用。常用的稀土氧化物主要是Y2O3、Nd2O3、Ce2O3，其離子半徑與Zr4+ 基本接近，可以與ZrO2 形成單斜、四方和立方晶型的置換型固溶體，這類ZrO2 陶瓷材料具有較好的技術(shù)性能指標(biāo)。如CeO2能和ZrO2形成很寬范圍內(nèi)的四方氧化鋯固溶體的相區(qū), 是良好的固體電解質(zhì)材料，Y2O3穩(wěn)定的ZrO2(YSZ)是一種優(yōu)良的氧離子導(dǎo)體材料, 在固體氧化物燃料電池(SOFC) 、氧氣傳感器以及甲烷部分氧化膜反應(yīng)器等方面已獲得廣泛的應(yīng)用。

■ 在SiC陶瓷中的應(yīng)用

碳化硅陶瓷具有耐高溫、抗熱震、耐腐蝕、耐磨損、熱傳導(dǎo)性良好及質(zhì)量輕等特點(diǎn)，是常用的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。SiC 的強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合特性決定了其在通常的條件下很難實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化，通常需要添加燒結(jié)助劑或采用熱壓、熱等靜壓燒結(jié)工藝，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高。無壓燒結(jié)SiC 最有效的燒結(jié)助劑是Al2O3-Y2O3;以Y3Al5O12 ( 簡(jiǎn)稱YAG) 為主要燒結(jié)助劑的SiC-YAG陶瓷復(fù)合材料，由于在較低溫度下可實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié), 因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的碳化硅陶瓷體系之一。

■ 在AlN陶瓷中的應(yīng)用

AlN 是共價(jià)鍵化合物，熔點(diǎn)較高, 熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)低、能耐鐵、鋁等金屬和合金的熔蝕，在特殊氣氛中有優(yōu)異的耐高溫性能，是理想的大規(guī)模集成電路基板和封裝材料。由于AlN 是共價(jià)鍵，燒結(jié)非常困難，而單一的燒結(jié)助劑降低燒成溫度的程度有限，故通常使用復(fù)合助劑( 稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物) 作為燒結(jié)助劑以形成液相促進(jìn)燒結(jié)。另外，燒結(jié)助劑還可與AlN中的氧雜質(zhì)反應(yīng)，減少因部分氧溶入AlN 點(diǎn)陣中而造成的鋁空位，提高AlN 的熱導(dǎo)率。

■ 在賽隆陶瓷中的應(yīng)用

賽隆陶瓷是在Si3N4 陶瓷基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種Si-N-O-Al致密多晶氮化物陶瓷，由Al2O3 中的Al 原子和O 原子部分置換Si3N4 中的Si 原子和N 原子形成，其強(qiáng)度、韌性、抗氧化性能均優(yōu)于Si3N4 陶瓷，特別適用于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)部件和其它耐磨陶瓷制品。賽隆(Sialon) 材料不易燒結(jié)，稀土氧化物的引入有利于在較低溫度下生成液相，有效地促進(jìn)燒結(jié)。同時(shí), 稀土陽離子又能進(jìn)入α-Si3N4相的晶格中，降低玻璃相的含量并形成晶界相，提高材料的常溫和高溫性能。研究表明，添加1%的Y2O3 可使賽隆陶瓷在高溫?zé)蓵r(shí)形成一種高溫玻璃相，不僅能促進(jìn)燒結(jié)，還能提高其斷裂韌性，此外添加少量Y2O3 對(duì)其抗氧化性也有很大提高。