稀土元素在功能陶瓷中的应用

稀土与功能陶瓷有着密切的关系

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。

1、在超导陶瓷中的作用

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。北京大学以ZrO2为衬底并加热至约200℃，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-PbTiO3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。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。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，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。然而，YSZ陶瓷只有在高于900℃时才表现出较高的离子导电率，故其应用仍受到一定限制。现有研究发现，在具有更高离子导电率的Bi2O3陶瓷中，掺加适量的Y2O3或Gd2O3，可使Bi2O3面心立方相稳定到室温，同时X射线衍射图谱也已表明，(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35均为稳定的面心立方结构的高氧离子导电相。在这种陶瓷的侧面再镀上(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的保护膜后，即可制备组装成离子导电性高、稳定性好且能在中温条件下（500~800℃）工作的燃料电池和氧传感器，利于解决高温技术所带来的困难。

4、在介电陶瓷中的应用

介电陶瓷主要用于制作陶瓷电容器和微波介质元件。在TiO2、MgTiO3、BaTiO3等介电陶瓷及其复合介电陶瓷中，添加La、Nd、Dy等稀土能显著改善其介电性能。如在具有高介电常数的BaTiO3陶瓷中，添加介电常数值ε=30~60的La、Nd稀土化合物，可使其介电常数在宽温度范围内保持稳定，器件的使用寿命显著提高。在热补偿电容器用介电陶瓷中，还可根据需要适当地掺加稀土，实现对陶瓷介电常数、温度系数、品质因数的改善或调节，扩大其应用范围。用La2O3对热稳定电容器钛酸镁陶瓷进行改性，所获得的MgO·TiO2-La2O3-TiO2系陶瓷和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系陶瓷，即保持了原有的介电损耗和温度系数小的特点，其介电常数也得到了显著提高。

5、在敏感陶瓷中的应用

敏感陶瓷是功能陶瓷中的重要一种，其特征是对某些外界条件如电压、气体成分、温度、湿度等反应敏感，故可通过其相关电性能参数的反应或变化来实现对电路、操作过程或环境的监控，广泛用于控制电路的传感元件，因此又被称为传感器陶瓷。稀土与这类陶瓷的性能之间存在着密切关系。