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稀土在結構陶瓷材料和功能陶瓷中的應用

來源:贛州湛海新材料科技有限公司 點擊: 發布時間:2019-10-22

稀土及稀土氧化物在陶瓷材料中的應用,主要是作為添加物來改進陶瓷材料的燒結性、致密性、顯微結構和晶相組成等,從而在極大程度上改善了它們的力學、電學、光學或熱學性能,以滿足不同場合下使用的陶瓷材料的性能要求。本文簡要綜述了稀土氧化物在結構陶瓷材料和功能陶瓷中的應用。

1 稀土氧化物在陶瓷材料中的作用機理

2.1 氧化物陶瓷

氧化物陶瓷是指陶瓷中含有氧原子的陶瓷,或高于二氧化硅(SiO2:熔點1730℃)晶體熔點的各種簡單氧化物形成的陶瓷。氧化物陶瓷具有良好的物理化學性質,電導率大小與溫度成反比。氧化物陶瓷常作為耐熱、耐磨損和耐腐蝕陶瓷,應用在化工、電子和航天等領域。

2.1.1 氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷被廣泛用于制造電路板、真空器件和半導體集成電路陶瓷封裝管殼等。為了獲得性能良好的陶瓷,需要細化晶粒并使其以等軸晶分布,降低陶瓷的氣孔率,提高致密度,最好能達到或接近理論密度。氧化鋁陶瓷的燒結溫度高,燒制原料高純氧化鋁價格也高,限制了其在部分領域的推廣及應用。研究表明,稀土氧化物的加入可與基體氧化物形成液相或固溶體,降低燒結溫度,改善其力學性能。常用的稀土氧化物添加劑有Dy2O3、Y2O3、La2O3、CeO2、Sm2O3、Nd2O3、Tb4O7和Eu2O3等。

2.2 氮化物陶瓷

2.2.1 氮化硅陶瓷

氮化硅的導熱性能差,熱膨脹系數高,高溫抗蠕變能力強和高溫化學穩定性好?;趦灝惖男阅茉诟邷靥沾奢S承,雷達天線罩,核反應堆的支撐件和化工過程中耐腐蝕部件等方面實用性較強。純氮化硅很難燒結,由于以共價鍵結合,其擴散系數小,原子遷移很困難。因此,在燒結過程中必須添加燒結助劑來促進氮化硅燒結反應的進行。隨著電子行業的迅猛發展,對電子材料的需求不斷增大,提高氮化硅陶瓷的熱導率成為研究的熱點之一。稀土氧化物的添加可有效地改善氮化硅陶瓷的塑韌性低,穩定性較差的缺點。

2.3 碳化物陶瓷

2.3.1 碳化硅陶瓷

碳化硅的自擴散系數小,在不添加燒結助劑的情況下很難燒結,即使在高溫高壓下,也很難燒結出致密的組織。燒結助劑的加入可形成液相,降低燒結溫度,促進燒結體組織致密化,且能改善碳化硅的純度、粒度和相組成。例如,復合添加Sc2O3和AlN后,燒結制備的碳化硅晶界處沒有玻璃相,很潔凈,但其強度和韌性很低;而添加Al2O3-Y2O3,不僅可以提高碳化硅陶瓷的致密性,而且可改善陶瓷的脆韌性、強度和硬度等。

3 稀土氧化物在功能陶瓷中的應用

功能陶瓷是指具有特定用途和功能的一類陶瓷材料,它的特性主要表現在電、光、磁、熱、生物等方面,在微電子技術、燃料電池、軍工工業、核能工業和生物醫學等高新技術領域具有不可替代的地位,主要有電子陶瓷、多孔陶瓷、梯度陶瓷、納米陶瓷和生物醫用陶瓷等。

3.1 電容器陶瓷

電容器陶瓷應用最廣泛的是以鈦酸鋇和鈦酸鉛基固溶體為主晶相的陶瓷,具有很寬的溫度穩定性區間(-55~125℃),介電常數在居里溫度處取的最大值,但其與溫度不呈線性關系。常應用于各類電容器、傳感器和超聲換能器等BST(Ba0.65Sr0.35TiO3)陶瓷的燒結溫度高于1350℃,添加低熔點的燒結助劑可降低燒結溫度,提高介電常數和降低介電損耗。

3.3 壓敏電阻陶瓷

壓敏電阻陶瓷是指在一定條件下具有非線性伏安特性,其電阻值對電壓變化敏感的半導體陶瓷。壓敏陶瓷用于硅整流器、集成電路和過電壓保護器件等。中高壓壓敏電阻器應用最多的是氧化鋅半導體陶瓷,具有漏電流小,可吸收噪聲,產生浪涌電流等優點,主要缺陷為填隙鋅離子;稀土氧化物的添加通過抑制晶粒的長大,可顯著地提高非線性系數。

 

3.5 氣敏陶瓷

從20世紀70年代開始,人們就在將稀土氧化物摻加到ZnO、SnO2及Fe2O3等氣敏陶瓷材料中的作用方面作了許多研究,并制得了ABO3型和A2BO4型稀土復合氧化物材料。有研究結果顯示,在ZnO中加入稀土氧化物,可明顯提高其對丙烯的靈敏度;在SnO2中摻加CeO2,可得到對乙醇敏感的燒結型元件。

 

3.8 抗菌陶瓷

抗菌陶瓷是指陶瓷表面因含有無機抗菌劑而具有殺菌作用的一類功能陶瓷。其目的是減少或者消除對人體危害,使細菌數量控制在醫學規定范圍??咕沾煽捎行ьA防或殺滅細菌,減少其傳播。光催化抗菌材料主要以TiO2備受關注。TiO2抗菌陶瓷是指在TiO2表面涂有抗菌劑,在有光照的條件下發生催化反應殺菌。姜莉等研究添加不同含量La和Ho的TiO2光催化抗菌材料。研究發現,用普通日光燈分別照射1.5和1h后,高活性的La-TiO2、Ho-TiO2薄膜抗菌材料對大腸桿菌的殺菌率分別達92.21%和88%。

 

3.10 陶瓷色釉料

稀土氧化物用于陶瓷色釉料,色彩鮮艷、穩定、耐高溫性能好,遮蓋力強,呈色均勻。稀土原料在陶瓷中的應用研究,也以其在陶瓷色料中應用最早。ZrO2和稀土元素鐠或稀土元素鈧組成鐠鋯黃和鈧鐠藍色釉,其色純而亮;鐠黃與鈧鋯藍可配合成淺綠色,色澤柔和,效果很好。含5%氧化釹的以鈣、鎂、鋅白釉為基礎的“高溫釹變色釉”具有雙色效應,它在不同光源的照射下呈現出不同的色調,在自然光或白熾燈下呈紫色,在熒光燈下呈天藍色,是一種極有藝術價值的色釉。

 

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