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一、稀土與功(gong)能陶瓷
功能陶瓷，是(shì)20世紀特别是第(di)二次世界大戰(zhan)以後随着電子(zi)信❤️息、自動控制(zhi)、傳感技術、生物(wù)工程、環境科♻️學(xué)等領域的發展(zhǎn)而開發形成的(de)新型陶瓷材料(liào)，它可利用電、磁(cí)、聲、光、熱、力😘等直(zhí)接效應及耦合(hé)效應所提供的(de)一種或多種性(xing)質來實現某種(zhong)使用功能。因🌂功(gong)能陶瓷的品種(zhǒng)類型繁多，性能(neng)特點豐富且适(shì)用面廣，現已在(zai)電器裝置、信号(hào)處理、傳感計測(ce)、半📧導體元件、超(chāo)導材料等㊙️方面(mian)得到廣泛應用(yong)，倍受相關材料(liào)研究人員和生(shēng)産🛀者們的普遍(biàn)關注。
稀土與功(gong)能陶瓷有着密(mì)切的關系。衆所(suo)周知的超導陶(táo)瓷中大部分都(dōu)含有稀土，如钇(yi)鋇銅氧（YBCO）就是一(yi)種具🏒有優良高(gao)溫超導性的氧(yang)化物陶瓷，它可(ke)将所需的環境(jìng)工作溫度由低(dī)溫超導材料的(de)液氦區（Tc=4.2K）提高到(dào)液氮區（Tc=77K）以上，極(jí)大地提升✂️了超(chao)導材料的實用(yòng)💚價值。同時，在許(xu)多功能陶瓷的(de)原料中😄摻加一(yi)定的稀土元素(sù)，不❤️但可改善陶(táo)瓷的燒結性、緻(zhi)密度、強度等，更(gèng)重要的是可使(shi)其特有的功能(neng)效應得到顯著(zhe)提高。
二、稀土在(zai)功能陶瓷中的(de)應用
1．在超導陶(tao)瓷中的應用
2. 在壓電(diàn)陶瓷中的應用(yong)
在具有高(gāo)壓電系數的锆(gao)钛酸鉛（PZT）壓電陶(táo)瓷中，通過添加(jia)La2O3、Sm2O3、Nd2O3等稀土氧化物(wù)，可明顯改善PZT陶(táo)瓷的燒結性能(neng)并利于獲得穩(wěn)定的電學性能(néng)和壓電性能，這(zhe)是因爲用三價(jià)的La3+、Sm3+、Nd3+等稀土離子(zi)取代🤟了PZT中A位的(de)Pb2+後，使PZT陶瓷的電(diàn)物理特性發生(sheng)了一系列變化(hua)。此外，還可通過(guo)🈲添加少量稀土(tǔ)氧化物CeO2來改善(shàn)PZT陶瓷的性能，且(qiě)CeO2的添加量以0.2%～0.5%爲(wei)宜。摻加CeO2後PZT陶瓷(ci)的體積電阻率(lü)升高，利于👨❤️👨工藝(yì)上實現高溫和(hé)高電🛀🏻場下極化(huà)⛱️，其抗時間老化(hua)和♌抗溫度老化(hua)等性能也均得(de)到改善。經稀土(tu)改性的PZT陶瓷，現(xiàn)已在高壓發生(sheng)器、超聲發生器(qi)、水聲換能✌️器等(deng)裝置中得到廣(guang)泛應用。
以稀土氧化物(wu)Y2O3作添加劑的钇(yi)穩定化氧化锆(gào)(YSZ)陶瓷，高☂️溫下具(ju)有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wen)定性，是較好的(de)氧離⛷️子導體，在(zài)☁️離子❗導電陶瓷(cí)中具有突出地(di)位。YSZ陶瓷傳感器(qì)，已成功用于測(ce)量汽車尾氣中(zhong)的氧分壓，有效(xiao)控制空氣🥰/燃料(liào)比，節能效果顯(xian)著，在工業👣鍋爐(lú)、熔煉爐👈、焚化爐(lú)等以燃燒爲主(zhu)的設備中得到(dao)了廣泛應用。YSZ陶(tao)瓷還可用作高(gao)溫固體氧化物(wù)⭐燃料電池(SOFC)中的(de)🌈電解質材料，使(shǐ)用較多的爲Zr0.9Y0.1O1.95。因(yīn)SOFC采用固體💚電解(jiě)質，故不存在其(qi)🧡他燃料電池所(suo)涉及✏️的電解質(zhì)處理問題，并且(qie)轉換效率接近(jin)60%。此外，摻加有稀(xī)土的LaCr0.9Mg0.1O3、La0.85Sr0.15MnO3陶瓷及Ni-Zr(Y)O2-X金(jīn)屬陶瓷薄層，還(hái)可分别用作SOFC電(diàn)池中的雙極性(xing)極闆、多孔陰極(ji)和多孔陽極材(cái)料。
然而，YSZ陶瓷隻(zhi)有在高于900℃時才(cái)表現出較高的(de)離子導電率，故(gù)其應用仍受到(dào)一定限制。現有(you)研究發現，在具(ju)有更高離子導(dao)電率的Bi2O3陶瓷中(zhōng)，摻加适量的Y2O3或(huo)Gd2O3，可使Bi2O3面心立方(fang)相穩定到室溫(wen)，同時X射線衍射(she)圖譜也已表明(míng)，(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35均爲穩定的(de)面心立方結構(gòu)的高氧離子導(dǎo)電相。在這種陶(tao)瓷的側🆚面再鍍(dù)上(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的保護膜後(hou)，即可制備組裝(zhuāng)成離子導電性(xìng)高、穩定性好且(qie)能在中👌溫條件(jian)下㊙️（500 ~800℃）工作的燃料(liao)電池和氧傳感(gan)器，利于解決高(gao)溫技術所帶來(lái)的困難。
4．在介電(diàn)陶瓷中的應用(yòng)
介電陶瓷主要(yào)用于制作陶瓷(cí)電容器和微波(bō)介質🌈元件。在TiO2、MgTiO3、BaTiO3等(děng)介電陶瓷及其(qi)複合介電陶瓷(ci)中，添加La、Nd、Dy等稀土(tu)能顯著改👨❤️👨善其(qi)介電性能。
如在(zài)具有高介電常(cháng)數的BaTiO3陶瓷中，添(tian)加介電常數值(zhí)⛷️ε=30~60的La、Nd稀🔞土化合物(wu)，可使其介電常(cháng)數在寬溫度範(fan)圍内保持穩定(ding)，器件的使用壽(shou)命顯著提高。在(zài)熱補償電容器(qi)用介電陶瓷中(zhong)，還❓可根據✔️需要(yao)适當地摻加稀(xī)土，實現對陶瓷(ci)介電常數、溫度(du)㊙️系數、品質因數(shù)的改善或調節(jie)，擴大其應用範(fan)圍。用La2O3對熱穩定(ding)電容器钛酸鎂(měi)陶瓷進行改性(xìng)，所獲得的MgO·TiO2-La2O3-TiO2系陶(táo)瓷和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系陶💰瓷，即(ji)保持了原🙇🏻有的(de)介電損耗和溫(wen)度系💞數小的特(te)點，其介電常數(shu)也得到了顯著(zhe)提高。
微波介質(zhi)陶瓷的品種繁(fán)多，摻加有稀土(tu)氧化物的㊙️BaO-RE2O3-TiO2系陶(táo)瓷🥰就是一種應(yīng)用較爲普遍的(de)介質材料，其介(jiè)🐆電常數ε可超過(guò)80。如MgTiO3-CaTiO3-La2O3陶瓷的品質(zhì)因數Qε值可高達(da)8000，而Nd2Ti2O7-(BaPb)TiO3-TiO2陶瓷的介電(diàn)常數ε則可達到(dào)90。由于新技術的(de)應用，随着BaO-TiO2-SnO2-RE2O3系等(deng)新型陶瓷的開(kai)發，近年内微波(bo)陶瓷介質材料(liào)的主要技術指(zhi)标渴望達到：Qε值(zhí)約比目♍前提高(gao)一個數量級，即(ji)在微波頻率下(xià)爲10000；ε在2~2000範圍内系(xi)列化，以适應多(duo)種用途；溫度🈚系(xi)數αε則在300~-100範圍内(nei)❄️系列化，可更方(fang)✏️便地獲得零溫(wēn)度系🏃♀️數的介質(zhi)諧振器和✏️濾波(bō)器等微波器件(jian)。
5．在敏感陶瓷中(zhong)的應用
（1）電光陶瓷(cí)
在PZT中添加稀土(tu)氧化物La2O3，即可獲(huò)得透明的锆钛(tai)酸鉛🔞镧（PLZT）電光陶(tao)瓷。原母體材料(liào)PZT因存在孔隙、晶(jing)界相和各向異(yi)性，一般不透明(ming)，而La2O3的🤞加入使其(qi)微觀結構趨于(yu)均勻一緻，在很(hen)大程度上消除(chu)🐕了孔隙，減弱了(le)其各向異性，顯(xiǎn)著減少了晶界(jiè)上多次折射所(suo)引起的光散射(shè)和第二相所引(yǐn)起的光散射，故(gù)PLZT具有良好的透(tòu)光性能。PLZT電光陶(táo)⚽瓷存在着一次(ci)電光效應（波克(ke)🐉爾效應）、二次電(dian)光效應（克爾效(xiào)應）以及光散射(shè)效應和光學記(ji)憶效應，其中克(ke)爾效應的應用(yong)最爲普遍，如屏(ping)蔽核爆炸輻射(shè)的護目鏡、重型(xíng)轟炸機的窗口(kou)、光通信調制器(qi)、全息記錄裝置(zhi)等。由于PLZT電光陶(táo)瓷具備利用電(dian)場改變🌏其光學(xué)性質♌的💜特點，它(ta)的出現标志着(zhe)陶瓷材料真正(zheng)進入功能光學(xué)領域。
（2）壓敏陶瓷(cí)
中南工業大學(xué)研究了稀土元(yuan)素對ZnO壓敏陶瓷(ci)電性♊能的影響(xiang)，用稀土氧化物(wù)La2O3對ZnO壓敏陶瓷進(jin)行摻雜後，其壓(yā)敏電㊙️壓VlmA值顯著(zhe)🔴提高；而當摻雜(zá)量從0.1%增加到10%時(shí)✔️，陶瓷的非線性(xing)系數α值從20下降(jiang)爲1，基本☀️無壓敏(min)性質。故對于ZnO陶(táo)瓷，低濃度稀土(tǔ)元素摻雜時可(kě)提高其壓敏電(dian)壓值，但對非線(xian)性系數影響不(bu)大；而高濃度摻(chan)雜時陶瓷則不(bú)呈現壓敏特征(zheng)。
（3）氣敏陶瓷
從20世(shi)紀70年代開始，人(ren)們就在将稀土(tǔ)氧化物摻加到(dào)✊ZnO、SnO2及Fe2O3等🚶氣敏陶👈瓷(cí)材料中的作用(yong)方面作了許多(duo)研究，并制得了(le)ABO3型和A2BO4型稀土複(fú)合氧化物材料(liao)。有研究結🤞果顯(xiǎn)示，在ZnO中加入稀(xi)土氧化物，可明(ming)顯提高其對丙(bing)烯的靈敏👨❤️👨度；在(zai)SnO2中摻加CeO2，可得到(dào)對乙醇敏感的(de)燒結型元件。
大(dà)連理工大學對(duì)在Fe2O3中摻加稀土(tǔ)氧化物RE2O3（RE=Nd、Sm、La）而獲得(dé)的🔞REFeO3系👄列材料✌️的(de)性能進行了研(yan)究，指出材料的(de)超微粒化是提(tí)高✉️氣敏元件靈(ling)敏度的重要因(yīn)素，且稀土元素(sù)不同，對材料微(wei)觀形貌的影響(xiǎng)也有💚所不同，其(qi)中NdFeO3和SmFeO3的粒度較(jiào)小，LaFeO3的粒度稍大(dà)。将所測REFeO3系列氣(qi)敏元件在0.13%濃度(du)的不同氣氛中(zhōng)進👅行分析，發現(xiàn)🐅REFeO3系列材料對⭐乙(yi)醇均有較高的(de)靈敏度，且其靈(líng)敏度高低順序(xu)依次爲NdFeO3﹥SmFeO3﹥LaFeO3，同時對(duì)汽油的靈敏度(dù)較低，對其它氣(qì)體幾乎🈲不反應(ying)，因此具有較❄️強(qiang)的選擇性。
（4）熱敏(min)陶瓷
钛酸鋇（BaTiO3）是(shi)目前研究最多(duō)且應用最廣的(de)熱敏陶瓷💃🏻。當在(zài)BaTiO3中摻💃加✔️微量稀(xī)土元素如La、Ce、Sm、Dy、Y等時(shí)（摩爾原子分數(shu)控制爲0.2%～0.3%），由🧑🏽🤝🧑🏻于用(yong)與Ba2+半徑相近的(de)RE3+取代了部分Ba2+，産(chǎn)生了多餘的正(zheng)電荷👌，并通過Ti4+的(de)作用形成了弱(ruo)束縛電子❗，故使(shi)陶瓷的電阻率(lü)顯著降低；但若(ruo)摻雜❓量超過一(yī)定值（如摻雜La的(de)摩爾分數🐅﹥0.35%），由于(yu)Ba2+空位的形成和(he)導電🤞載流子的(de)消失，陶瓷的電(diàn)阻率反而急劇(ju)上升，甚至🈲成爲(wèi)絕緣🍉體。
（5）濕敏陶(táo)瓷
三、市場前景(jing)
近年的研究還(hái)表明，稀土在生(sheng)物陶瓷、抗菌陶(tao)瓷等⚽新型陶瓷(ci)材料中也有着(zhe)獨特的作用。由(yóu)于稀土元素可(kě)與銀、鋅、銅等過(guò)渡元素協同增(zeng)效，開發的稀土(tu)複合磷酸鹽抗(kàng)菌可使陶瓷表(biǎo)面産生大量的(de)羟基自由基，從(cóng)而增強了💞陶瓷(ci)的抗🥵菌性能。
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