稀土元素与陶瓷间的相互关系

2010-11-03

信息来源:陶瓷商务信息网

  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℃。

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