一、稀土與功能(neng)陶瓷
稀土，是包括(kuò)15個镧系元素和钪(kàng)、钇共17個金屬元素(su)的🈲總稱⚽。稀🐉土☂️元素(sù)自18世紀末相繼被(bei)人們發現以來，已(yi)在冶金、陶❌瓷、玻璃(li)、石☔化、印🤩染、農林等(děng)行業得到廣泛應(yīng)用。随着科學技術(shu)的進步，稀土的應(ying)用範圍不斷擴大(da)。特别是近20餘年來(lái)，稀土在高新技術(shù)領域的應用得到(dao)了迅猛發展。稀土(tǔ)在功能陶瓷中的(de)應用，就是其中的(de)一個重要方面。
功(gong)能陶瓷，是20世紀特(tè)别是第二次世界(jie)大戰以後随着電(diàn)子信息、自動控制(zhì)、傳感技術、生物工(gong)程、環境科學等❤️領(ling)域的發🔴展而💃🏻開發(fā)形成的新型陶瓷(cí)材料，它可利用電(diàn)、磁、聲、光、熱、力🔴等直(zhi)接效應及耦合效(xiao)應所提供的一種(zhong)或多種性質來實(shí)🌂現某種使用功能(néng)。因💯功能陶瓷的品(pǐn)種類型繁🌍多，性能(néng)特點豐富且适用(yòng)㊙️面廣，現已在電器(qì)裝置、信号處理、傳(chuan)感計測、半導體元(yuán)件、超導材料等方(fang)面得到廣泛應用(yòng)，倍受相關材✌️料研(yán)究人員和生産❤️者(zhě)們的普遍關注。
稀(xī)土與功能陶瓷有(yǒu)着密切的關系。衆(zhōng)所周知的超導陶(tao)☎️瓷中大部分都含(han)有稀土，如钇鋇銅(tong)氧（YBCO）就是一種具有(yǒu)優良高💁溫超導性(xing)的氧化物陶瓷，它(ta)可将所需的環境(jing)工作溫度由🌈低溫(wēn)超導材料的液氦(hài)區（Tc=4.2K）提高到液氮區(qu)（Tc=77K）以上，極大地提升(sheng)了超導材料的實(shi)用價值。同時，在許(xǔ)多功能陶瓷的原(yuan)料中💚摻加一定的(de)稀土元素，不⚽但可(ke)改善陶瓷的燒結(jié)性、緻密度🈲、強度等(deng)，更重要的是可使(shi)其特有的功能效(xiao)應得到顯著提高(gao)。
二、稀土在功能陶(tao)瓷中的應用
北京大學以ZrO2爲(wei)襯底并加熱至約(yuē)200℃，分别将Y（或其它稀(xi)土🌈）、Ba的氧化🎯物和Cu分(fen)層蒸發在襯底上(shang)進行擴散處理，并(bìng)于800～900℃溫度🧡區間熱處(chu)理，所制得的超導(dao)陶瓷在100K以上✍️表現(xian)出具有良好的金(jīn)🌏屬性電阻溫度系(xi)數。日本鹿兒島大(dà)學将稀土La摻加到(dào)Sr、Nb氧化物中所制成(cheng)的陶瓷薄膜，在255K即(jí)發生超導現象。
2. 在(zài)壓電陶瓷中的應(ying)用
钛酸鉛（PbTiO3）是一種(zhong)典型的具備機械(xiè)能-電能耦合效應(ying)的壓♌電陶瓷，其居(ju)裏溫度高（490℃）、介電常(chang)數低，适于高溫和(he)高頻條件下應用(yòng)。但在其制備冷卻(que)過程中，因産生立(li)方-四方相🌈變而易(yì)出現顯🌏微裂紋。爲(wei)了解決這一問題(tí)，采用稀土對其進(jìn)行改性，經1150℃溫度燒(shao)結後可🔱獲得相對(duì)密度爲99%的RE-PbTiO3陶瓷，顯(xiǎn)微組織得⛹🏻♀️到明顯(xian)改善💘，可用于制造(zao)💃在75MHZ的高頻條件下(xia)工作的換能器陣(zhèn)列。分析認爲，由于(yú)稀土離子🍓RE3+的置換(huàn)作用，使PbTiO3陶瓷介電(diàn)常數減小及壓電(diàn)各向異性(kt/kp)增強，特(tè)别适用于電子掃(sao)描醫用超聲系統(tǒng)中的換能器。并且(qiě)因陶瓷的介電常(cháng)數和徑向機電耦(ou)合系數減小，其高(gao)頻諧振峰變得單(dan)純，利于制造高靈(líng)敏度、高分辨率的(de)超聲換💚能器。
在具(ju)有高壓電系數的(de)锆钛酸鉛（PZT）壓電陶(tao)瓷中，通過添加🏃♂️La2O3、Sm2O3、Nd2O3等(děng)稀土氧化物，可明(míng)顯改善PZT陶瓷的燒(shao)結性能并利于獲(huò)🧑🏾🤝🧑🏼得穩定的電學性(xing)能和壓電性能，這(zhè)是因爲用三價的(de)La3+、Sm3+、Nd3+等稀土離子取代(dài)了PZT中A位的Pb2+後，使PZT陶(táo)瓷㊙️的電物理特性(xìng)發生了一系列變(bian)化。此外，還可通過(guo)添加少量稀🧑🏽🤝🧑🏻土氧(yang)化物CeO2來改善PZT陶瓷(cí)的性能，且CeO2的添加(jiā)量以0.2%～0.5%爲宜。摻加CeO2後(hòu)PZT陶瓷的體積電阻(zǔ)率升高☂️，利于工藝(yi)上實現高溫☁️和高(gao)電⭕場下極化，其抗(kang)時間老化和抗溫(wēn)度老化等性🛀能也(ye)均得到改善。經稀(xi)土改性的PZT陶瓷，現(xian)已在高壓發🌍生器(qi)、超聲發生器、水聲(shēng)換能㊙️器等裝置中(zhōng)得到廣泛應用。
3．在(zài)導電陶瓷中的應(ying)用
以稀土氧化物(wù)Y2O3作添加劑的钇穩(wen)定化氧化锆(YSZ)陶瓷(cí)，高⛱️溫下具有良好(hao)的熱穩定性和化(huà)學穩定性，是較好(hao)的☁️氧離子導🐕體，在(zai)🚩離子導電陶瓷中(zhōng)具有突出地🎯位。YSZ陶(tao)瓷傳感器，已成功(gōng)用于測量汽車尾(wěi)氣中的氧分壓，有(yǒu)效控制空氣🏃🏻♂️/燃料(liào)比，節能效果顯著(zhe)，在工業鍋爐、熔煉(liàn)爐、焚化爐等以㊙️燃(rán)燒爲主的設備中(zhōng)得到了廣泛應用(yong)。YSZ陶瓷還可用作高(gāo)溫固體氧化物燃(ran)料電池(SOFC)中的電解(jie)質❗材料，使🔱用較多(duō)的爲Zr0.9Y0.1O1.95。因SOFC采用固體(tǐ)電👣解質，故不存在(zài)其🌏他燃料電池所(suo)涉及的電解質處(chu)理問題，并且轉換(huan)效率接近60%。此外，摻(chan)加有稀土的💃LaCr0.9Mg0.1O3、La0.85Sr0.15MnO3陶瓷(cí)及Ni-Zr(Y)O2-X金屬陶瓷👉薄層(ceng)，還可分别用作SOFC電(dian)😄池中的雙😄極性極(jí)闆、多孔陰極和多(duo)孔陽極材料。
然而(ér)，YSZ陶瓷隻有在高于(yú)900℃時才表現出較高(gāo)的離子導電率，故(gu)其🔅應用仍受到一(yī)定限制。現有研究(jiū)發現，在具有更高(gao)✉️離子導電率的Bi2O3陶(táo)瓷中，摻加适量的(de)Y2O3或Gd2O3，可使Bi2O3面心立方(fang)相穩定到室溫，同(tóng)時X射線衍射圖譜(pǔ)也已表明，(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35均爲(wèi)穩定的面心立方(fāng)結構的高氧離子(zǐ)導電相。在這種陶(táo)瓷的側面再鍍上(shàng)(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的保護膜後，即🌂可(kě)制備組裝成離子(zi)導電性高🥵、穩定性(xing)好且能在中溫條(tiao)件下（500 ~800℃）工作的燃料(liào)電㊙️池和氧傳感器(qi)，利于解決高溫技(jì)術所帶來的困難(nan)。
4．在介電陶瓷中的(de)應用
介電陶瓷主(zhu)要用于制作陶瓷(cí)電容器和微波介(jiè)質元件。在TiO2、MgTiO3、BaTiO3等介🔴電(diàn)陶瓷及其複合介(jiè)電陶瓷中，添加La、Nd、Dy等(deng)稀土能顯著改善(shàn)其介電性能。
如在(zai)具有高介電常數(shù)的BaTiO3陶瓷中，添加介(jiè)電常數值ε=30~60的La、Nd稀🔴土(tu)化⁉️合物，可使其介(jiè)電常數在寬溫度(du)範圍内保持穩定(dìng)📱，器件的使用壽命(mìng)顯著提高。在熱補(bǔ)償電容器用介電(diàn)陶瓷中，還可根據(jù)需要适當地摻加(jia)稀土，實現對㊙️陶瓷(ci)介電常數、溫度系(xi)數、品質☎️因數的改(gǎi)🏃🏻善或調節，擴大其(qí)應用範圍。用La2O3對熱(rè)穩定電容器钛酸(suan)鎂陶瓷進行改性(xìng)，所獲得的MgO·TiO2-La2O3-TiO2系陶瓷(ci)和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系陶瓷，即保持(chi)了原有的介⚽電損(sun)耗和溫度系🐕數小(xiao)的特點，其介電常(cháng)數也得到了顯著(zhe)提高。
微波介質陶(tao)瓷的品種繁多，摻(chān)加有稀土氧化物(wu)的BaO-RE2O3-TiO2系陶瓷就是一(yi)種應用較爲普遍(biàn)的介質材料，其介(jiè)☀️電常數ε可超過💔80。如(ru)MgTiO3-CaTiO3-La2O3陶瓷的品質因數(shù)Qε值可高達8000，而Nd2Ti2O7-(BaPb)TiO3-TiO2陶瓷(cí)的介電常數ε則可(kě)達到90。由于☁️新技術(shù)的應用，随着BaO-TiO2-SnO2-RE2O3系等(děng)新型陶瓷的開發(fa)，近年内微波陶瓷(ci)介質材料的主要(yao)技術指标渴望達(da)到：Qε值約比目📞前提(tí)高一個數量級，即(ji)在微波頻率下爲(wei)10000；ε在2~2000範圍内系列化(hua)，以适應多種用途(tu)；溫度系數αε則在300~-100範(fan)圍内㊙️系列化，可更(gèng)方便地獲得零溫(wēn)度系🔞數的介質諧(xie)振器和濾波器等(děng)⭕微波器件。
敏(min)感陶瓷是功能陶(tao)瓷中的重要一種(zhǒng)，其特征是對😄某些(xie)外界🔞條件如電壓(yā)、氣體成分、溫度、濕(shī)度等反應敏感⭕，故(gù)可通過🈲其相⭕關電(diàn)性能參數的反應(yīng)或變化來實現對(duì)電路✨、操作過🤩程或(huo)環境的監控，廣泛(fàn)用于💰控制電路的(de)傳感元件，因此又(you)被稱爲傳感器陶(táo)瓷。稀土與這類🛀🏻陶(táo)瓷的性能之間存(cún)在着密切關系。
（1）電(dian)光陶瓷
在PZT中添加(jiā)稀土氧化物La2O3，即可(ke)獲得透明的锆钛(tai)酸鉛镧（PLZT）電光陶瓷(cí)。原母體材料PZT因存(cun)在孔隙、晶界相和(he)各向異性，一般不(bu)透明🥵，而La2O3的加入使(shi)其微觀結構趨于(yu)均勻一💁緻，在很大(dà)程度上消除了孔(kǒng)隙，減弱了其各向(xiàng)異性，顯著減少了(le)晶界上多次折射(shè)所引起的光散射(she)和第二相所引起(qi)的👈光散射，故PLZT具有(you)良好的透👣光性能(neng)。PLZT電光陶瓷存在着(zhe)一次電光效應（波(bo)克🈲爾效應）、二次電(diàn)光效應（克爾效應(yīng)）以及光❤️散射效應(yīng)和光學記憶效應(yīng)，其中克爾效應的(de)應用最爲普遍，如(rú)屏蔽核爆炸輻射(shè)的護目鏡、重型轟(hong)炸機的窗口、光通(tong)信調制器、全息記(jì)錄裝置等。由于PLZT電(dian)光陶瓷具備利💘用(yong)電場改變♉其光學(xue)性質的特點，它的(de)出現标志着🚩陶瓷(ci)材料真正進入功(gong)能光學領域。
（2）壓敏(min)陶瓷
（3）氣敏陶瓷
從20世(shi)紀70年代開始，人們(men)就在将稀土氧化(hua)物摻加到ZnO、SnO2及Fe2O3等氣(qi)敏🔴陶✉️瓷材料中的(de)作用方面作了許(xu)多研究，并制得了(le)ABO3型和🈲A2BO4型稀土複合(hé)氧化物材料。有研(yán)究結果顯示，在ZnO中(zhōng)加入稀土氧化物(wu)🐪，可明顯提高其對(duì)丙烯的靈敏度；在(zài)SnO2中摻加CeO2，可得到🍓對(duì)乙醇敏感的燒結(jie)型元件。
大連理工(gōng)大學對在Fe2O3中摻加(jia)稀土氧化物RE2O3（RE=Nd、Sm、La）而獲(huo)得的REFeO3系列材料的(de)性能進行了研究(jiu)，指出材料的超微(wei)粒化是提高氣敏(mǐn)元件靈敏度的重(zhòng)要因素，且稀土元(yuan)素不同，對材料微(wei)觀形🐕貌的影響也(ye)有所不同，其中NdFeO3和(hé)SmFeO3的粒度較小，LaFeO3的粒(li)度稍大。将所測REFeO3系(xì)列氣敏元件💛在0.13%濃(nóng)度的不同氣氛中(zhong)進行分析，發現REFeO3系(xi)列材料對乙醇均(jun1)有較高的靈敏度(du)，且其靈敏度高低(dī)順序依次爲NdFeO3﹥SmFeO3﹥LaFeO3，同時(shi)對汽油的靈敏度(dù)較低，對其它氣體(tǐ)幾乎不反應，因此(cǐ)具有較💔強的選擇(ze)性。
（4）熱敏陶瓷
钛酸(suan)鋇（BaTiO3）是目前研究最(zuì)多且應用最廣的(de)熱敏陶瓷。當在BaTiO3中(zhōng)摻加微量稀土元(yuán)素如La、Ce、Sm、Dy、Y等時（摩爾原(yuan)子分數控制爲0.2%～0.3%），由(you)于用與Ba2+半徑相🌈近(jìn)的RE3+取代了部分Ba2+，産(chan)生了多餘的正電(diàn)荷，并通過Ti4+的作用(yòng)形成了弱束縛電(dian)子，故使陶瓷的電(dian)阻率顯著降低；但(dàn)若摻雜量超過一(yī)定值（如摻雜La的摩(mo)爾分數﹥0.35%），由于Ba2+空位(wei)的形成和導電載(zai)流子的消失，陶瓷(cí)的電阻率反而急(ji)劇上升，甚至成爲(wèi)絕緣體。
三、市場前景
我國(guo)是一個衆所周知(zhī)的稀土資源大國(guo)，應進一步加強🌈稀(xi)土摻雜對功能陶(tao)瓷性能影響的研(yan)究和新型功能陶(táo)瓷的開發✏️力度，以(yi)充分發揮我國的(de)稀土資源優勢，有(yǒu)效提升稀🧑🏾🤝🧑🏼土在高(gāo)科技材料中的應(ying)用價值。
