稀土元素与陶瓷的相互关系

稀土元素与陶瓷间的相互关系
由于稀土元素具有4fx5d16s2 电子层结构，电价高、半径大、极化力强、化学性质活泼及能水解等性质，故其应用十分广泛，尤其在特种陶瓷及功能材料方面具有广阔的发展前景。

Si3N4陶瓷
Si3N4 陶瓷硬度高、强度大、热膨胀系数小，具有较高的抗蠕变性能及抗氧化、抗腐蚀性能，是一种非常好的高温结构材料。作为Si3N4 陶瓷，由于Si－N键属共价键，致使在无液相存在下烧结非常困难，须加入添加剂。较为理想的添加剂为稀土氧化物Y2O3、CeO2、La2O3 ，不仅可使Si3N4陶瓷在烧结时产生液相，促进烧结，同时又可大大提高Si3N4陶瓷的高温力学性能。研究表明，添加La2O3和Y2 O3的氮化硅陶瓷，其抗弯强度在1370℃的高温下保持不变，达1000MPa以上。添加Al2O3和La2O3烧结助剂的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较高熔点的结晶化合物，于是减少了材料非晶态玻璃相的含量，提高了材料的高温断裂韧性。

Al2O3陶瓷
Al2O3 陶瓷具有较高的硬度和机械强度，膨胀系数与金属差不多，同时具有良好的化学稳定性。对Al2O3陶瓷来讲，为提高其高温热稳定性，可添加稀土元素。研究表明：之所以能提高Al2O3 陶瓷高温热稳定性，主要原因是形成了稀土铝酸盐，如添加La2O3可形成起到稳定作用的LaAl11O18。
为降低Al2O3 陶瓷的烧成温度，改进产品性能，在其加入不同数量的稀土外加剂，可大大降低烧成温度。

SiC陶瓷
SiC是共价键性极强的化合物，在高温状态下仍能保持高的键合强度，且热膨胀系数小，耐腐蚀性优良，具有较高的热传导性，故是高温结构材料最有希望的材料之一。
SiC中添加Al 2O3和Y2O3为烧结助剂可大大降低SiC陶瓷的烧结温度，Al2O3和Y2O3 在烧结温度下形成液相，从而以液相烧结机理加速材料致密化。有研究用无压烧结β制得含板状晶料的液相烧结SiC陶瓷，其断裂韧性达7MPa·m1/2 ，添加稀土氧化物可使其抗氧化性能得到明显改善，且随稀土加入量的增加，氧化速度逐渐降低，加入量为3％时效果最佳。

Y2O3 陶瓷
Y2O3陶瓷是一种高性能透明陶瓷，它是以高纯氧化钇为原料并添加8mol％～10mol％ThO2 在氢气中于2000℃以上高温烧成透明多晶体，也可在添加LiF和ThO2 后于1300～1500℃和35～50MPa压力下真空热压烧结。由于其熔点大于2400℃，介电常数为12～14，透明性好，即使在远红外区仍有约80％的直线透过率，是优良的高温红外材料和电子材料。

AIN陶瓷
AIN陶瓷导热性好、耐高温、耐腐蚀，具有较好的电绝缘性能，但因属共价键，故烧结困难。在制备AIN陶瓷时加入稀土氧化物Y2O3、La2O3 等作为添加剂，与AIN颗粒表面的Al2O3 反应，生成低熔点液相，使整个烧结在有液相参与下进行，最终达到致密化。这样制得的AIN陶瓷可作熔炼纯铁、铝等的优良坩锅材料及其高温结构材料。

ZrO2陶瓷
ZrO2 陶瓷具有较高的熔点，是理想的高温结构材料，但由于其在1100℃左右存在单斜与四方的晶型转变，并伴有较大体积变化，故在制造时须加入稳定剂，稀土氧化物CeO2和ThO2 为常用稳定剂。就Y2O3来说，由于Y3＋离子的大小与Z4＋离子接近，可固溶形成稳定的立方晶相，故稀土加入ZrO2后可使ZrO2 陶瓷的抗热震性能得到较大提高。
当Y2O3含量<2mol％时，ZrO2以单斜相存在；当Y2O3含量>8mol％时，ZrO2 以立方相存在；而当Y2O3含量在2mol％～8mol％时，ZrO2则以两相或三相共存。
当Y2O3 含量在3mol％左右时，由陶瓷中ZrO2晶粒间的相互抑制，可通过控制适当的晶粒尺寸制备全部由四方ZrO2 组成的氧化钇稳定的四方氧化锆，它具有很高的断裂韧性和抗弯强度，在高温结构陶瓷材料中应用广泛。
氧化锆不仅为优良的结构陶瓷材料，而且也具有优良的高温电导性能，因而是一种用途很广的固体电解质材料。高温燃料电池一般也都采用Y2O3稳定的ZrO2 为固体电解质，其工作温度可达800～1000℃。