稀土與陶瓷
2015-07-14 23:08:42 來源：中國瓷器網(wǎng) 已瀏覽次
? ? ? 由于稀土元素具有4fx5d16s2 電子層結(jié)構(gòu)，電價高、半徑大、極化力強、化學(xué)性質(zhì)活潑及能水解等性質(zhì)，故其應(yīng)用十分廣泛，尤其在特種陶瓷及功能材料方面具有廣闊的發(fā)展前景。
? ? ? Si3N4陶瓷
? ? ? Si3N4 陶瓷硬度高、強度大、熱膨脹系數(shù)小，具有較高的抗蠕變性能及抗氧化、抗腐蝕性能，是一種非常好的高溫結(jié)構(gòu)材料。作為Si3N4 陶瓷，由于Si——N鍵屬共價鍵，致使在無液相存在下燒結(jié)非常困難，須加入添加劑。較為理想的添加劑為稀土氧化物Y2O3、CeO2、La2O3 ，不僅可使Si3N4陶瓷在燒結(jié)時產(chǎn)生液相，促進(jìn)燒結(jié)，同時又可大大提高Si3N4陶瓷的高溫力學(xué)性能。研究表明，添加La2O3和Y2 O3的氮化硅陶瓷，其抗彎強度在1370℃的高溫下保持不變，達(dá)1000MPa以上。添加Al2O3和La2O3燒結(jié)助劑的Si3N4 陶瓷形成具有高耐火度和粘度的Y——Ls——Si——O——N玻璃晶界，因此具有較高的高溫抗彎強度和較好的抗氧化性能，并且在高溫條件下易析出較高熔點的結(jié)晶化合物，于是減少了材料非晶態(tài)玻璃相的含量，提高了材料的高溫斷裂韌性。
? ? ? Al2O3陶瓷
? ? ? Al2O3 陶瓷具有較高的硬度和機械強度，膨脹系數(shù)與金屬差不多，同時具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。對Al2O3陶瓷來講，為提高其高溫?zé)岱€(wěn)定性，可添加稀土元素。研究表明：之所以能提高Al2O3 陶瓷高溫?zé)岱€(wěn)定性，主要原因是形成了稀土鋁酸鹽，如添加La2O3可形成起到穩(wěn)定作用的LaAl11O18。
? ? ? 為降低Al2O3 陶瓷的燒成溫度，改進(jìn)產(chǎn)品性能，在其加入不同數(shù)量的稀土外加劑，可大大降低燒成溫度。
? ? ? SiC陶瓷
? ? ? SiC是共價鍵性極強的化合物，在高溫狀態(tài)下仍能保持高的鍵合強度，且熱膨脹系數(shù)小，耐腐蝕性優(yōu)良，具有較高的熱傳導(dǎo)性，故是高溫結(jié)構(gòu)材料最有希望的材料之一。
? ? ? SiC中添加Al 2O3和Y2O3為燒結(jié)助劑可大大降低SiC陶瓷的燒結(jié)溫度，Al2O3和Y2O3 在燒結(jié)溫度下形成液相，從而以液相燒結(jié)機理加速材料致密化。有研究用無壓燒結(jié)β制得含板狀晶料的液相燒結(jié)SiC陶瓷，其斷裂韌性達(dá)7MPa·m1/2 ，添加稀土氧化物可使其抗氧化性能得到明顯改善，且隨稀土加入量的增加，氧化速度逐漸降低，加入量為3％時效果最佳。
? ? ? Y2O3 陶瓷
? ? ? Y2O3陶瓷是一種高性能透明陶瓷，它是以高純氧化釔為原料并添加8mol％——10mol％ThO2 在氫氣中于2000℃以上高溫?zé)赏该鞫嗑w，也可在添加LiF和ThO2 后于1300——1500℃和35——50MPa壓力下真空熱壓燒結(jié)。由于其熔點大于2400℃，介電常數(shù)為12——14，透明性好，即使在遠(yuǎn)紅外區(qū)仍有約80％的直線透過率，是優(yōu)良的高溫紅外材料和電子材料。
? ? ? AIN陶瓷
? ? ? AIN陶瓷導(dǎo)熱性好、耐高溫、耐腐蝕，具有較好的電絕緣性能，但因?qū)俟矁r鍵，故燒結(jié)困難。在制備AIN陶瓷時加入稀土氧化物Y2O3、La2O3 等作為添加劑，與AIN顆粒表面的Al2O3 反應(yīng)，生成低熔點液相，使整個燒結(jié)在有液相參與下進(jìn)行，最終達(dá)到致密化。這樣制得的AIN陶瓷可作熔煉純鐵、鋁等的優(yōu)良坩鍋材料及其高溫結(jié)構(gòu)材料。
? ? ? ZrO2陶瓷
? ? ? ZrO2 陶瓷具有較高的熔點，是理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，但由于其在1100℃左右存在單斜與四方的晶型轉(zhuǎn)變，并伴有較大體積變化，故在制造時須加入穩(wěn)定劑，稀土氧化物CeO2和ThO2 為常用穩(wěn)定劑。就Y2O3來說，由于Y3＋離子的大小與Z4＋離子接近，可固溶形成穩(wěn)定的立方晶相，故稀土加入ZrO2后可使ZrO2 陶瓷的抗熱震性能得到較大提高。
? ? ? 當(dāng)Y2O3含量<2mol％時，ZrO2以單斜相存在；當(dāng)Y2O3含量>8mol％時，ZrO2 以立方相存在；而當(dāng)Y2O3含量在2mol％——8mol％時，ZrO2則以兩相或三相共存。
? ? ? 當(dāng)Y2O3 含量在3mol％左右時，由陶瓷中ZrO2晶粒間的相互抑制，可通過控制適當(dāng)?shù)木Я３叽缰苽淙坑伤姆絑rO2 組成的氧化釔穩(wěn)定的四方氧化鋯，它具有很高的斷裂韌性和抗彎強度，在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料中應(yīng)用廣泛。
? ? ? 氧化鋯不僅為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，而且也具有優(yōu)良的高溫電導(dǎo)性能，因而是一種用途很廣的固體電解質(zhì)材料。高溫燃料電池一般也都采用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2 為固體電解質(zhì)，其工作溫度可達(dá)800——1000℃。
責(zé)任編輯：小萌
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