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一、稀土與(yǔ)功能陶瓷(cí)
稀土，是包(bāo)括15個镧系(xì)元素和钪(kàng)、钇共17個金(jīn)屬元素的(de)🔴總稱。稀🐪土(tǔ)🔴元素自18世(shi)紀末相繼(ji)被人們發(fā)現以來，已(yi)❓在冶金、陶(tao)瓷、玻🛀🏻璃、石(shi)化、印染、農(nong)林等行業(yè)得到廣泛(fan)應用。随着(zhe)科學技術(shù)的進步，稀(xi)土的應👉用(yòng)範圍不斷(duàn)擴大。特别(bié)是近20餘年(nian)來，稀土在(zài)高新技術(shu)㊙️領域的應(ying)用得到了(le)迅猛發展(zhan)。稀土在功(gōng)能陶瓷中(zhōng)的應用，就(jiu)是其中的(de)一個重要(yao)方面。
二(èr)、稀土在功(gōng)能陶瓷中(zhong)的應用
自1987年中、日(ri)、美等國材(cai)料科學家(jiā)發現氧化(huà)物陶瓷钇(yǐ)📞鋇銅氧（YBCO）具(ju)有優良的(de)高溫超導(dao)性（Tc高達92K）以(yǐ)來，人們在(zài)稀土高溫(wen)超導💰陶瓷(cí)的性能研(yán)究及應用(yòng)開發方面(miàn)🔞做了大量(liàng)工作，并取(qu)得了許多(duō)重大進展(zhan)，日本已有(yǒu)研究表明(ming)🔞，用Nd、Sm、Eu、Gd等輕稀(xi)土（Ln）取代YBCO中(zhong)的Y後，所得(dé)⭕超導陶瓷(ci)材料LnBCO的臨(lín)界磁場強(qiang)度顯著提(ti)高，磁通釘(dìng)紮力也大(dà)🐅爲增強，在(zai)電力、儲能(néng)和運輸等(deng)方面極具(ju)實用🏃♂️價值(zhi)。如經一定(dìng)生産工藝(yi)所制💯得的(de)LnBCO塊材，能在(zai)77K捕集大于(yú)⭐10T的磁場，可(kě)代替Nd-Ti用作(zuò)磁懸浮列(lie)車的磁體(tǐ)🌍。
2. 在壓(yā)電陶瓷中(zhong)的應用
钛(tài)酸鉛（PbTiO3）是一(yī)種典型的(de)具備機械(xiè)能-電能耦(ou)合效應的(de)壓電陶瓷(ci)，其居裏溫(wen)度高（490℃）、介電(diàn)常數低，适(shì)于高溫和(he)高頻條件(jiàn)下應用。但(dan)在其制備(bèi)冷卻過程(chéng)中，因産生(sheng)立方❌-四方(fāng)相變而易(yi)出現顯微(wēi)裂紋。爲了(le)解決這一(yī)問題，采用(yong)稀土對其(qi)進行改性(xing)，經1150℃溫度燒(shāo)結後可獲(huò)得相對密(mi)度爲99%的RE-PbTiO3陶(táo)瓷，顯微組(zǔ)織得到明(míng)顯改善💋，可(ke)用于制造(zao)在75MHZ的高頻(pin)條件下🔴工(gōng)作的換能(neng)器陣列。分(fèn)析認爲📱，由(you)于稀土離(lí)子RE3+的置換(huàn)作🧑🏾🤝🧑🏼用，使PbTiO3陶(tao)瓷介電常(cháng)數減小及(ji)壓電各🎯向(xiàng)異性(kt/kp)增強(qiáng)，特别适用(yòng)于電子掃(sao)描醫用超(chāo)聲系統中(zhōng)的換能器(qì)。并且因陶(táo)瓷的介電(diàn)常數和徑(jìng)向機電耦(ou)合系數減(jian)小，其高頻(pin)諧振峰😄變(biàn)得單純，利(lì)于制造高(gao)靈🧑🏾🤝🧑🏼敏🌏度、高(gao)分辨率的(de)超聲換🌈能(neng)器。
在具有(yǒu)高壓電系(xi)數的锆钛(tai)酸鉛（PZT）壓電(diàn)陶瓷中，通(tōng)過添🚶加La2O3、Sm2O3、Nd2O3等(deng)🧑🏾🤝🧑🏼稀土氧化(hua)物，可明顯(xiǎn)改善PZT陶瓷(ci)的燒結性(xing)能并利于(yú)獲得穩定(ding)的電學性(xing)能和壓電(dian)性能，這是(shi)因爲用三(san)價的La3+、Sm3+、Nd3+等稀(xī)土離子取(qu)代㊙️了PZT中A位(wèi)的Pb2+後，使PZT陶(tao)瓷的電物(wu)理特性發(fā)生了一系(xì)列變化。此(ci)外，還可通(tong)過✨添加少(shao)量稀土氧(yǎng)化物CeO2來🈲改(gǎi)善PZT陶瓷的(de)性能，且CeO2的(de)添加量以(yǐ)0.2%～0.5%爲宜。摻加(jiā)CeO2後PZT陶瓷的(de)體積電阻(zu)率升高♉，利(li)于工藝上(shàng)實現高溫(wēn)💰和高電場(chǎng)下極化，其(qi)抗時間老(lǎo)化和抗溫(wen)度老化等(děng)性🙇♀️能也均(jun1)得到改善(shàn)。經稀土改(gai)性的PZT陶瓷(ci)，現已在高(gao)壓發生器(qì)、超💃聲發生(shēng)器、水聲換(huan)能器等裝(zhuāng)置中得到(dao)廣泛應✨用(yòng)。
3．在導電陶(tao)瓷中的應(yīng)用
以稀土(tǔ)氧化物Y2O3作(zuo)添加劑的(de)钇穩定化(huà)氧化锆(YSZ)陶(tao)瓷，高溫下(xià)具有良好(hǎo)的熱穩定(dìng)性和化學(xué)穩定性，是(shi)較好的氧(yang)離子導體(ti)，在離子導(dǎo)電陶瓷中(zhong)具有突出(chū)地位。YSZ陶瓷(ci)傳感器，已(yi)成功用于(yú)測量汽車(che)尾氣中的(de)氧分壓，有(you)效👅控制空(kōng)氣/燃料比(bi)，節能效果(guo)顯著，在工(gong)業✂️鍋爐、熔(róng)煉爐、焚化(huà)爐等以燃(rán)燒爲主的(de)設備中得(de)到💃🏻了廣泛(fàn)應用。YSZ陶🤩瓷(ci)還可用作(zuo)高溫固體(ti)氧化物燃(ran)料電池(SOFC)中(zhong)的電解質(zhì)材料，使用(yong)較多的爲(wei)Zr0.9Y0.1O1.95。因SOFC采用固(gu)體電解質(zhi)，故不存在(zài)其🚩他燃料(liào)電池所涉(shè)及的電解(jiě)質處理問(wèn)題，并且轉(zhuan)換效率接(jie)近60%。此外，摻(chān)加有稀土(tu)的☔LaCr0.9Mg0.1O3、La0.85Sr0.15MnO3陶瓷及(ji)Ni-Zr(Y)O2-X金屬陶瓷(ci)薄層，還可(ke)分别用作(zuo)SOFC電池中的(de)雙極性極(ji)闆、多🐇孔陰(yīn)極和多孔(kong)陽極材料(liào)。
然而，YSZ陶瓷(ci)隻有在高(gāo)于900℃時才表(biao)現出較高(gao)的離子導(dǎo)電率，故👄其(qi)應用仍受(shou)到一定限(xiàn)制。現有研(yán)究發現，在(zai)具有更高(gāo)離子導電(dian)率的Bi2O3陶瓷(ci)中，摻加适(shì)量的Y2O3或Gd2O3，可(ke)👌使Bi2O3面心立(lì)方相穩定(ding)到🏃🏻室溫，同(tong)時X射線衍(yǎn)射圖譜也(ye)已表明，(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和(he)(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35均爲穩定(dìng)的面心立(li)方結構的(de)🧑🏽🤝🧑🏻高氧離子(zi)🌐導電相。在(zài)這種陶瓷(cí)的側面再(zai)鍍上(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的保(bǎo)護膜後，即(ji)❗可制備組(zǔ)裝成離子(zi)導電性高(gao)、穩定性好(hǎo)且能在中(zhong)溫條件下(xia)（500 ~800℃）工作的燃(ran)料電㊙️池和(he)氧傳感器(qì)，利于解決(jué)高溫技術(shu)所帶來的(de)❄️困難。
4．在介(jie)電陶瓷中(zhōng)的應用
介(jiè)電陶瓷主(zhu)要用于制(zhì)作陶瓷電(dian)容器和微(wei)波介質元(yuán)件。在TiO2、MgTiO3、BaTiO3等💞介(jie)👣電陶瓷及(jí)其複合介(jie)電陶瓷中(zhōng)，添加La、Nd、Dy等稀(xi)土能顯🈲著(zhe)改善其☀️介(jiè)電性能。
如(rú)在具有高(gāo)介電常數(shu)的BaTiO3陶瓷中(zhong)，添加介電(diàn)常數值♋ε=30~60的(de)La、Nd稀💜土化合(he)物，可使其(qí)介電常數(shù)在寬溫度(du)範圍内保(bao)持穩定，器(qì)件的使用(yòng)壽命顯著(zhe)提高。在熱(rè)補償電容(rong)器用介電(dian)陶瓷中，還(hai)可根據需(xu)要适當地(di)摻加稀土(tǔ)，實現對陶(táo)瓷介電⭐常(chang)數、溫度系(xi)數、品質因(yin)數的改善(shàn)或調節，擴(kuò)大其應用(yong)範圍。用La2O3對(duì)熱穩☂️定電(dian)容器钛🐕酸(suān)鎂陶瓷進(jìn)💁行☔改性，所(suo)獲得的☎️MgO·TiO2-La2O3-TiO2系(xì)陶瓷和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系(xì)陶瓷，即保(bǎo)持了原❄️有(you)的介🍉電損(sǔn)耗和溫度(dù)系數小的(de)特點，其🤟介(jiè)電常數也(ye)得到了顯(xiǎn)著提高。
微(wēi)波介質陶(táo)瓷的品種(zhǒng)繁多，摻加(jiā)有稀土氧(yǎng)化物的BaO-RE2O3-TiO2系(xi)陶瓷👈就♉是(shi)一種應用(yòng)較爲普遍(bian)的介質材(cai)料，其介電(diàn)常數ε可超(chāo)過80。如MgTiO3-CaTiO3-La2O3陶瓷(cí)的品質因(yin)數Qε值可高(gāo)達8000，而Nd2Ti2O7-(BaPb)TiO3-TiO2陶瓷(ci)的介電常(chang)數ε則可達(dá)到90。由于㊙️新(xin)技術🈲的應(ying)用，随着🏒BaO-TiO2-SnO2-RE2O3系(xì)等新型陶(tao)瓷的開發(fa)，近年内微(wei)波陶瓷介(jiè)質材料的(de)主要技術(shu)⭐指标渴望(wang)達到：Qε值約(yuē)比目前提(ti)高一個數(shù)量級，即在(zài)微波頻率(lǜ)下爲10000；ε在2~2000範(fàn)圍内系列(liè)化，以适應(ying)多種用途(tu)；溫度系數(shù)αε則在300~-100範圍(wei)内系列化(huà)，可更方便(bian)地獲得零(líng)溫度系數(shù)的介質諧(xie)振器和濾(lǜ)波器等微(wei)波器件。
5．在(zai)敏感陶瓷(ci)中的應用(yong)
敏感陶瓷(cí)是功能陶(táo)瓷中的重(zhong)要一種，其(qi)特征是對(dui)某些外界(jie)條件如電(diàn)壓、氣體成(cheng)分、溫度、濕(shī)度等反應(yīng)敏感💯，故可(kě)通過其相(xiang)關電性能(néng)參數的反(fan)應或變化(hua)來實現對(duì)電路⛹🏻♀️、操作(zuo)過程或環(huán)境的監控(kòng)，廣泛用于(yú)🧑🏾🤝🧑🏼控制電路(lù)的傳感元(yuán)件，因此又(you)😄被稱爲傳(chuán)感器陶瓷(ci)。稀土與這(zhe)類陶瓷的(de)性能✏️之間(jian)存在着密(mi)切關系。
（1）電(dian)光陶瓷
在(zài)PZT中添加稀(xī)土氧化物(wù)La2O3，即可獲得(dé)透明的锆(gao)钛酸鉛镧(lán)（PLZT）電光陶瓷(cí)。原母體材(cái)料PZT因存在(zai)孔隙、晶界(jiè)相和各♊向(xiàng)異🐅性，一🍉般(bān)不🏃♀️透明，而(er)La2O3的加入使(shǐ)其微觀結(jié)構趨于均(jun)勻一👣緻，在(zai)很🔴大程度(du)上消除了(le)孔隙，減弱(ruo)了其各向(xiàng)異性，顯著(zhe)減少了晶(jing)界上多次(ci)折射所引(yin)起的光散(sàn)射和第二(er)相所引起(qǐ)的光散射(shè)，故PLZT具有良(liáng)好的透🔴光(guāng)性能。PLZT電光(guāng)陶瓷存在(zài)着一次🚩電(dian)光效應（波(bo)克💯爾效應(ying)）、二次電光(guang)效應（克爾(er)效應）以及(jí)光散射效(xiào)應和光💜學(xue)記憶效應(yīng)，其中克爾(ěr)效應的應(yīng)用最✔️爲普(pǔ)遍，如屏蔽(bì)核爆炸輻(fu)射的護目(mu)🌍鏡、重型轟(hōng)炸機的窗(chuang)口、光通🔞信(xìn)調制器、全(quan)息記錄裝(zhuāng)置等。由于(yu)PLZT電光陶瓷(cí)具備利⚽用(yòng)電場改變(bian)其光學性(xing)質的特點(dian)，它的出現(xian)标志着陶(táo)瓷材料真(zhēn)正進入功(gong)能🌈光學👄領(lǐng)域。
（2）壓敏陶(tao)瓷
（3）氣敏陶(tao)瓷
從20世紀(ji)70年代開始(shi)，人們就在(zai)将稀土氧(yang)化物摻加(jiā)到ZnO、SnO2及Fe2O3等氣(qi)敏陶瓷材(cái)料中的作(zuo)用方面作(zuò)了許多研(yan)究，并制得(dé)了ABO3型和A2BO4型(xing)稀🏃土複合(hé)氧化物材(cai)料。有研究(jiu)結💘果顯示(shi)，在ZnO中加❄️入(rù)稀土氧化(huà)物，可明顯(xiǎn)❓提高其對(duì)丙烯的靈(líng)敏度；在SnO2中(zhōng)摻⭕加CeO2，可得(dé)到對乙醇(chún)敏感的燒(shao)結型元件(jiàn)。
大連理工(gong)大學對在(zai)Fe2O3中摻加稀(xi)土氧化物(wu)RE2O3（RE=Nd、Sm、La）而獲得的(de)REFeO3系列🔴材🔱料(liào)的性能進(jin)行了研究(jiū)，指出材料(liao)的超微粒(li)😍化是提高(gao)氣敏元件(jiàn)靈敏度的(de)重要因素(sù)，且稀土元(yuán)素不同，對(duì)材料微觀(guan)形貌的影(ying)響也有所(suo)不同，其中(zhong)NdFeO3和SmFeO3的粒度(dù)較小，LaFeO3的粒(li)度稍大。将(jiāng)所測REFeO3系列(liè)氣敏元件(jian)在0.13%濃度的(de)不同氣氛(fen)中進⛹🏻♀️行分(fen)析，發現REFeO3系(xi)列材料對(dui)乙醇均有(yǒu)較高的靈(ling)敏度，且其(qí)靈敏度高(gao)低順序依(yī)次爲NdFeO3﹥SmFeO3﹥LaFeO3，同時(shi)對汽油的(de)靈敏度較(jiào)低，對其它(ta)氣體幾乎(hū)不❤️反應，因(yīn)此具有較(jiao)強的選擇(ze)性。
（4）熱敏陶(táo)瓷
钛酸鋇(bei)（BaTiO3）是目前研(yán)究最多且(qiě)應用最廣(guǎng)的熱敏陶(tao)瓷。當在BaTiO3中(zhōng)🆚摻加微量(liang)稀土元素(su)如La、Ce、Sm、Dy、Y等時（摩(mó)爾原子分(fèn)數🛀🏻控制爲(wei)0.2%～0.3%），由于用🔴與(yu)Ba2+半徑相近(jin)的RE3+取代了(le)部分Ba2+，産生(sheng)了多餘的(de)正電荷，并(bìng)通過Ti4+的作(zuo)用形成了(le)弱束縛電(diàn)子，故使陶(tao)瓷的電阻(zu)率顯著降(jiàng)低🔞；但若摻(chān)雜量超過(guò)一定值（如(rú)摻雜La的摩(mo)爾分數🏒﹥0.35%），由(yóu)于Ba2+空位的(de)形成和導(dao)電載流子(zi)的消✂️失，陶(táo)瓷的電阻(zu)率反而急(ji)劇上升，甚(shen)至成爲絕(jué)緣體。
随(suí)着材料科(kē)學的發展(zhan)，近年來功(gong)能複合陶(táo)瓷備受關(guān)🈲注，稀土摻(chān)雜在功能(neng)複合陶瓷(ci)的開發研(yan)究方面也(yě)取🔅得了較(jiào)大進展。浙(zhe)江大學陳(chén)昂等，采用(yong)常規功能(néng)陶瓷的制(zhì)備方法，将(jiāng)稀土超導(dao)陶瓷YBa2Cu3O7-x和鐵(tie)電陶瓷BaTiO3複(fu)合，獲得📧了(le)鐵電性與(yu)超導性共(gòng)存的YBa2Cu3O7-x- BaTiO3系複(fu)合功能陶(tao)瓷，其電導(dao)特性符合(hé)三維導電(dian)行爲，并當(dang)YBa2Cu3O7-x含量較🏃🏻高(gāo)時呈超導(dao)性⭐。華中理(li)工大學🔴周(zhou)東祥等的(de)研究指出(chū)，LaCoO3-SrCoO3系和LaCrO3- SrCrO3系複(fu)合功✨能陶(táo)瓷，可用作(zuò)磁流體電(dian)機的電極(jí)材料和氣(qi)敏材料；而(er)在NTC熱敏複(fu)合材料🏃🏻♂️NiMn2O4-LaCrO3陶(tao)瓷中，新化(hua)合物LaMnO3導電(dian)相決定着(zhe)陶瓷的主(zhu)要性質。西(xi)安交通大(da)學的鄒秦(qín)等通過用(yong)稀✊土離子(zi)Y3+、La3+對（Sr,Ca）TiO3摻雜，省(shěng)去了原有(you)的用堿金(jīn)屬離子（Nb5+、Ta5+）塗(tú)覆并❄️進行(hang)熱擴散的(de)工藝，而且(qiě)制得的陶(tao)瓷材料緻(zhì)密度高、工(gōng)藝性能良(liang)好，并保持(chi)了電阻率(lü)低（ρ爲10-2Ω·cm量級(ji)）、非線性高(gao)（非線性系(xi)數α﹥10）的介🔱電(dian)-壓敏複合(he)功能特性(xing)。
智能陶瓷(ci)是指具有(you)自診斷、自(zi)調整、自恢(huī)複、自轉換(huan)等特點的(de)一類功能(neng)陶瓷。如前(qián)所述在锆(gao)钛酸鉛（PZT）陶(tao)瓷中添加(jiā)稀土镧而(er)獲得的锆(gào)钛酸鉛镧(lan)（PLZT）陶瓷，不但(dan)是一種優(yōu)良的🥵電光(guang)陶瓷，而且(qie)因其具有(you)形狀記憶(yi)功能，即體(ti)現出形狀(zhuang)自我恢複(fú)的自調諧(xie)機制，故也(yě)是一種智(zhì)能陶瓷。智(zhì)能陶瓷材(cái)料概念的(de)提出，倡導(dao)💃了一種研(yán)制和設計(jì)陶瓷材料(liào)♍的新理念(niàn)，對拓寬稀(xi)土在近代(dài)功能陶瓷(ci)中應用極(jí)爲有利。
近(jìn)年的研究(jiu)還表明，稀(xī)土在生物(wu)陶瓷、抗菌(jun1)陶瓷等新(xīn)型🚶陶瓷🧑🏽🤝🧑🏻材(cái)料中也有(yǒu)着獨特的(de)作用。由于(yú)稀土元素(su)可與銀、鋅(xīn)、銅等過渡(du)元素協同(tong)增效，開發(fā)的稀土複(fu)合磷酸鹽(yán)抗菌可使(shi)陶瓷表面(miàn)産生大量(liang)的羟基自(zi)由基，從而(er)增強了陶(tao)瓷的抗菌(jun)性能。
我國(guó)是一個衆(zhong)所周知的(de)稀土資源(yuan)大國，應進(jin)一步加強(qiang)稀💚土摻雜(za)對功能陶(táo)瓷性能影(ying)響的研究(jiu)和新❤️型功(gong)能陶瓷的(de)開發🆚力度(du)，以充分發(fā)揮我國的(de)稀土資源(yuan)優勢，有效(xiào)提升稀土(tǔ)在高科技(ji)材料中的(de)應用價值(zhí)。
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