稀土是化學(xué)周期表中15個鑭系元素和鈧、釔共17種金屬元素的總稱,在當今工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用,被稱為“工業(yè)維生素”。將稀土作為添加劑、穩(wěn)定劑、燒結(jié)助劑作用于結(jié)構(gòu)陶瓷中,可以極大地改善斷裂韌性、致密度、強度等性能,還可以簡化生產(chǎn)工藝,降低生產(chǎn)成本。
1.在氧化鋁陶瓷中的應(yīng)用
氧化鋁(Al2O3)陶瓷由于強度高、耐高溫、絕緣性好、耐磨損、耐腐蝕,且具有良好的機電性能,是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)陶瓷。加入稀土氧化物如Y2O3、La2O3、Sm2O3等可以改善Al2O3復(fù)合材料的潤濕性能,降低陶瓷材料的熔點、孔隙率,提高致密度與玻璃相強度,改善Al2O3陶瓷的力學(xué)性能。
2.在氮化硅陶瓷中的應(yīng)用
氮化硅(Si3N4)陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性,是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷中最有應(yīng)用潛力的材料之一。由于Si3N4是強共價鍵化合物,在燒結(jié)時需要加入稀土氧化物Y2O3、Nd2O3、La2O3等燒結(jié)助劑,提高材料的高溫斷裂韌性。
3.在氧化鋯陶瓷中的應(yīng)用
氧化鋯(ZrO2)陶瓷具有高密度、高熔點、高硬度等性能,尤其抗彎強度和斷裂韌性是所有陶瓷中最高的。由于ZrO2晶型轉(zhuǎn)化伴有明顯的體積變化,因而限制了直接使用的范圍。稀土氧化物Y2O3、Nd2O3、Ce2O3等對ZrO2相變具有較好的抑制穩(wěn)定作用,使ZrO2陶瓷材料具有較好的技術(shù)性能指標,可作為固體電解質(zhì)材料、氧離子導(dǎo)體材料等,應(yīng)用于燃料電池、傳感器等領(lǐng)域。
4.在碳化硅陶瓷中的應(yīng)用
碳化硅(SiC)陶瓷具有耐高溫、抗熱震、耐腐蝕、耐磨損、熱傳導(dǎo)性良好及質(zhì)量輕等特點,是常用的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。SiC的強共價鍵結(jié)合特性決定了其在通常的條件下很難實現(xiàn)燒結(jié)致密化,Al2O3-Y2O3是無壓燒結(jié)SiC最有效的燒結(jié)助劑;Y3Al5O12作為燒結(jié)助劑生產(chǎn)的SiC-YAG陶瓷復(fù)合材料可在較低溫度實現(xiàn)致密化燒結(jié),被認為是最有發(fā)展前景的碳化硅陶瓷體系之一。
5.在氮化鋁陶瓷中的應(yīng)用
氮化鋁(AlN)陶瓷熔點高、熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)低、能耐鐵、鋁等金屬和合金的熔蝕,在特殊氣氛中有優(yōu)異的耐高溫性能,是理想的大規(guī)模集成電路基板和封裝材料。由于AlN是共價鍵,且單一的燒結(jié)助劑降低燒成溫度的程度有限,故通常使用復(fù)合助劑(稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物)作為燒結(jié)助劑以形成液相促進燒結(jié),并與AlN中的氧雜質(zhì)反應(yīng),提高AlN的熱導(dǎo)率。
6.在賽隆陶瓷中的應(yīng)用
賽?。⊿ialon)陶瓷是在Si3N4陶瓷基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種Si-N-O-Al致密多晶氮化物陶瓷,其強度、韌性、抗氧化性能均優(yōu)于Si3N4陶瓷,特別適用于陶瓷發(fā)動機部件和其它耐磨陶瓷制品。賽隆材料不易燒結(jié),稀土氧化物的引入有利于在較低溫度下生成液相,有效地促進燒結(jié)。同時,提高材料的常溫和高溫性能,加強材料斷裂韌性與抗氧化性。