稀土元素在结构陶瓷中的应用

稀土元素，是包括15个镧系元素和钪、钇共17个金属元素的总称，自18世纪末以来，已在冶金、陶瓷、玻璃、石化、印染、农林等行业得到广泛应用。稀土元素在我国陶瓷工业中的应用始于上世纪30年代，在70 年代稀土在陶瓷材料中的总用量达70t/年,占国内生产总量的2%到3%左右，目前稀土主要应用于结构陶瓷、功能陶瓷、陶瓷色釉料等领域。随着稀土新材料的不断开发与应用，将稀土作为添加剂、稳定剂、烧结助剂作用于各种陶瓷材料，极大地改善了其性能、降低了生产成本，使其工业化应用成为可能。

稀土元素在结构陶瓷中的应用

■ 在Al2O3陶瓷中的应用

Al2O3陶瓷由于强度高、耐高温、绝缘性好、耐磨损、耐腐蚀, 且具有良好的机电性能, 是目前应用最广泛的结构陶瓷。加入稀土氧化物如Y2O3、La2O3、Sm2O3等可以改善Al2O3复合材料的润湿性能、降低陶瓷材料的熔点；使材料孔隙率降低，致密度提高；阻碍其他离子迁移, 降低晶界迁移速率, 抑制晶粒生长, 有利于致密结构的形成；使玻璃相的强度得到提高，从而达到改善Al2O3陶瓷力学性能的目的。

■ 在Si3N4陶瓷中的应用

Si3N4陶瓷具有优异的力学性能、热学性能及化学稳定性，是高温结构陶瓷中最有应用潜力的材料。由于Si3N4是强共价键化合物，这决定了纯Si3N4不能靠常规固相烧结达到致密化，所以除用Si 粉直接氮化的反应烧结外，需加入一定量助烧剂制成致密材料。目前制备Si3N4 陶瓷较为理想的烧结助剂是稀土氧化物Y2O3、Nd2O3、La2O3等。这些稀土氧化物一方面与Si3N4粉体表面的微量SiO2 在高温下反应生成含氮的高温玻璃相，有效促进Si3N4陶瓷的烧结；一方面形成具有高耐火度和粘度的Y-La-Si-O-N玻璃晶界，具有较高的高温抗弯强度和较好的抗氧化性能，并且在高温条件下易析出具有高熔点的含Y、La 的结晶化合物，提高了材料的高温断裂韧性。

■ 在ZrO2陶瓷中的应用

ZrO2陶瓷的密度大、熔点和硬度较高，尤其是它的抗弯强度和断裂韧性较高，是所有陶瓷中最高的。由于ZrO2晶型转化伴有明显的体积变化，因而限制了直接使用的范围。随着研究工作的深入，发现加入稀土氧化物对ZrO2的相变具有更好的抑制稳定作用。常用的稀土氧化物主要是Y2O3、Nd2O3、Ce2O3，其离子半径与Zr4+ 基本接近，可以与ZrO2 形成单斜、四方和立方晶型的置换型固溶体，这类ZrO2 陶瓷材料具有较好的技术性能指标。如CeO2能和ZrO2形成很宽范围内的四方氧化锆固溶体的相区, 是良好的固体电解质材料，Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)是一种优良的氧离子导体材料, 在固体氧化物燃料电池(SOFC) 、氧气传感器以及甲烷部分氧化膜反应器等方面已获得广泛的应用。

■ 在SiC陶瓷中的应用

碳化硅陶瓷具有耐高温、抗热震、耐腐蚀、耐磨损、热传导性良好及质量轻等特点，是常用的高温结构陶瓷。SiC 的强共价键结合特性决定了其在通常的条件下很难实现烧结致密化，通常需要添加烧结助剂或采用热压、热等静压烧结工艺，生产工艺复杂，成本高。无压烧结SiC 最有效的烧结助剂是Al2O3-Y2O3;以Y3Al5O12 ( 简称YAG) 为主要烧结助剂的SiC-YAG陶瓷复合材料，由于在较低温度下可实现致密化烧结, 因此被认为是最有发展前景的碳化硅陶瓷体系之一。

■ 在AlN陶瓷中的应用

AlN 是共价键化合物，熔点较高, 热导率高、介电常数低、能耐铁、铝等金属和合金的熔蚀，在特殊气氛中有优异的耐高温性能，是理想的大规模集成电路基板和封装材料。由于AlN 是共价键，烧结非常困难，而单一的烧结助剂降低烧成温度的程度有限，故通常使用复合助剂( 稀土金属氧化物和碱土金属氧化物) 作为烧结助剂以形成液相促进烧结。另外，烧结助剂还可与AlN中的氧杂质反应，减少因部分氧溶入AlN 点阵中而造成的铝空位，提高AlN 的热导率。

■ 在赛隆陶瓷中的应用

赛隆陶瓷是在Si3N4 陶瓷基础上开发出的一种Si-N-O-Al致密多晶氮化物陶瓷，由Al2O3 中的Al 原子和O 原子部分置换Si3N4 中的Si 原子和N 原子形成，其强度、韧性、抗氧化性能均优于Si3N4 陶瓷，特别适用于陶瓷发动机部件和其它耐磨陶瓷制品。赛隆(Sialon) 材料不易烧结，稀土氧化物的引入有利于在较低温度下生成液相，有效地促进烧结。同时, 稀土阳离子又能进入α-Si3N4相的晶格中，降低玻璃相的含量并形成晶界相，提高材料的常温和高温性能。研究表明，添加1%的Y2O3 可使赛隆陶瓷在高温烧成时形成一种高温玻璃相，不仅能促进烧结，还能提高其断裂韧性，此外添加少量Y2O3 对其抗氧化性也有很大提高。