一、稀土與功能(néng)陶瓷
功(gong)能陶瓷，是20世紀特(tè)别是第二次世界(jiè)大戰以後随着電(diàn)🏒子信息、自動控制(zhi)、傳感技術、生物工(gōng)程、環境科學等💛領(lǐng)域的發展而開發(fā)形成的新型陶瓷(ci)材料，它可利用電(diàn)、磁、聲、光、熱、力等直(zhi)接❄️效應及耦合效(xiao)應所💛提供的一種(zhong)或多種🆚性質來實(shi)現某種使用功能(néng)。因功能陶瓷的🈲品(pin)種類型繁多，性能(neng)特點😍豐富且适用(yòng)😍面廣，現已在電器(qì)裝置、信号處理、傳(chuan)感計測、半導體元(yuan)件、超導材料等方(fāng)面得到廣泛應用(yòng)，倍受相關材料研(yan)究人員和生産者(zhe)們的普遍關注。
稀(xi)土與功能陶瓷有(yǒu)着密切的關系。衆(zhong)所周知的超😄導🎯陶(táo)瓷中大部分都含(han)有稀土，如钇鋇銅(tong)氧（YBCO）就是一種具❄️有(you)優良高溫超導性(xìng)的氧化物陶瓷，它(ta)可将所需的環境(jìng)工作溫度由低溫(wen)超導材料的液氦(hài)區（Tc=4.2K）提高到液氮區(qu)（Tc=77K）以上，極大地提升(shēng)了超導材料的實(shí)用✔️價值。同時，在許(xǔ)多功能陶🙇♀️瓷的原(yuán)料中💜摻加一定的(de)稀土元素，不但可(ke)改善陶瓷的燒結(jie)性、緻密度、強度等(děng)，更重要📐的是可使(shi)其特有的功能效(xiào)應得到顯著提高(gao)。
二、稀土在功能陶(tao)瓷中的應用
1．在超(chāo)導陶瓷中的應用(yong)
自1987年中、日、美等國(guo)材料科學家發現(xian)氧化物陶瓷钇鋇(bei)銅氧（YBCO）具有優良的(de)高溫超導性（Tc高達(da)92K）以來，人們在稀土(tu)高溫超導📐陶瓷的(de)性能研究及應用(yong)開發方面做了大(dà)量工作，并取得🌐了(le)許多👄重大進展，日(ri)本已有研究表明(míng)，用Nd、Sm、Eu、Gd等輕稀🌐土（Ln）取代(dài)YBCO中的Y後，所得超導(dǎo)陶瓷🎯材料LnBCO的臨界(jiè)磁場強度顯著提(ti)高，磁通🔴釘紮力也(ye)大爲增強，在電力(lì)、儲能和運輸等方(fāng)面極具實用價值(zhí)🐕。如經一定生産工(gong)❗藝所制得的LnBCO塊材(cái)🈲，能在77K捕集大于10T的(de)磁場，可代替Nd-Ti用作(zuo)磁懸浮列車的磁(ci)體。
北京大學以ZrO2爲(wei)襯底并加熱至約(yuē)200℃，分别将Y（或其它稀(xī)土）、Ba的🍓氧化物和Cu分(fen)層蒸發在襯底上(shàng)進行擴散處理，并(bìng)于800～900℃溫度區間熱處(chu)理，所制得的超導(dǎo)陶瓷在100K以上表現(xiàn)出具有良好的金(jin)屬性電阻溫度系(xi)數。日本鹿🙇♀️兒島大(dà)學将稀土La摻加到(dào)Sr、Nb氧化物中所制成(cheng)的陶瓷🌏薄膜，在255K即(jí)發生超導現象。
2. 在(zài)壓電陶瓷中的應(yīng)用
钛酸鉛（PbTiO3）是一種(zhǒng)典型的具備機械(xiè)能-電能耦合效應(yīng)的壓電陶瓷✔️，其居(jū)裏溫度高（490℃）、介電常(chang)數低，适于高溫和(hé)高頻條👈件下應用(yòng)。但在💰其制備冷卻(què)過程中，因産生立(li)方-四方相變而易(yì)出現顯微裂紋。爲(wèi)了解決這一問題(ti)，采用稀土對其進(jin)行改性，經1150℃溫度❤️燒(shao)結後可🛀🏻獲得相對(dui)密度爲99%的RE-PbTiO3陶瓷♉，顯(xian)微組織得到明顯(xian)改善，可用于制造(zào)✌️在75MHZ的高頻條件下(xià)💋工作的換能器陣(zhen)列🚩。分析認爲，由于(yú)稀🐆土離子RE3+的置換(huàn)作用，使PbTiO3陶瓷介電(dian)常數減小及壓電(diàn)各向異性(kt/kp)增強，特(tè)别适用于電子掃(sǎo)描醫用超聲系統(tǒng)中的換能器。并且(qie)因陶瓷的介電常(chang)數和徑向機電耦(ǒu)合系數減小，其高(gao)頻諧振峰👉變得單(dān)純，利🐇于制造高靈(ling)☀️敏度、高分辨率的(de)超聲換能器。
在具(ju)有高壓電系數的(de)锆钛酸鉛（PZT）壓電陶(tao)瓷中，通過添加La2O3、Sm2O3、Nd2O3等(děng)稀土氧化物，可明(míng)顯改善PZT陶瓷的燒(shāo)結性能并利于獲(huo)得穩🐅定的電學性(xing)能和壓電性能，這(zhè)是因爲用三價的(de)La3+、Sm3+、Nd3+等稀土離子取代(dài)了PZT中A位的Pb2+後，使PZT陶(táo)瓷的電物理特性(xìng)發生了一系列🏒變(bian)化。此外🎯，還可通過(guò)添加少量稀土氧(yǎng)化物CeO2來🔞改善PZT陶瓷(ci)的性能，且CeO2的添加(jiā)量以0.2%～0.5%爲宜。摻加CeO2後(hou)PZT陶瓷的體積電阻(zu)率升高，利于🔴工藝(yi)上實現高溫和高(gāo)電場下極化，其抗(kang)時間老化✏️和抗溫(wen)度老化等性能也(ye)均得到改善。經稀(xi)土改性的PZT陶瓷，現(xian)已在高壓發生器(qì)、超👣聲發生器、水聲(shēng)換能🌐器等裝置中(zhong)得到廣泛應用。
3．在(zai)導電陶瓷中的應(yīng)用
以稀土氧化物(wù)Y2O3作添加劑的钇穩(wěn)定化氧化锆(YSZ)陶瓷(ci)，高溫下📱具🙇🏻有良好(hǎo)的熱穩定性和化(huà)學穩定性，是較好(hao)的🌈氧離🔴子導體，在(zài)❄️離子導電陶瓷中(zhōng)具有突出地位。YSZ陶(tao)瓷傳感器，已成功(gong)用于測量汽車☂️尾(wei)氣中的氧分壓，有(you)效控制空氣/燃料(liao)比，節能效果顯🔞著(zhe)，在工業鍋爐、熔煉(lian)爐、焚化爐等以🆚燃(ran)燒爲主的設備中(zhōng)得到🐉了廣泛應用(yong)。YSZ陶瓷還可用作高(gao)溫固體氧化物燃(ran)料🍓電池(SOFC)中的電解(jiě)質材料，使用較多(duo)的爲Zr0.9Y0.1O1.95。因SOFC采用固體(ti)電解質，故不存在(zai)其🔞他燃料電池所(suo)涉⁉️及🐕的電解質處(chù)理問題👣，并且轉換(huàn)效率接近60%。此外，摻(chān)加有稀土的✔️LaCr0.9Mg0.1O3、La0.85Sr0.15MnO3陶瓷(ci)及Ni-Zr(Y)O2-X金屬陶瓷薄層(ceng)，還可分别用作SOFC電(diàn)池中的雙👣極性極(ji)闆、多孔陰極和多(duō)🌈孔陽極材料。
然而(er)，YSZ陶瓷隻有在高于(yu)900℃時才表現出較高(gao)的離子導電率，故(gù)其⛷️應用仍受到一(yi)定限制。現有研究(jiu)發現，在具有😄更高(gao)離子導電🌈率的Bi2O3陶(táo)瓷中，摻加适量的(de)Y2O3或Gd2O3，可🙇🏻使Bi2O3面心立方(fang)相穩定到室溫，同(tóng)🌈時X射線衍射圖譜(pǔ)也已表明，(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和📐(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35均爲(wèi)穩定的面心立方(fang)結構的高氧離子(zǐ)導電相。在這種陶(tao)瓷的側面再鍍上(shang)(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的保護膜後，即可(ke)制備組裝成離子(zǐ)導電性高💘、穩定性(xìng)好且能在中溫條(tiáo)件下（500 ~800℃）工作的燃料(liao)電池和氧傳感器(qi)，利于解決高溫技(ji)術所帶來的🌍困難(nán)。
4．在介電陶瓷中的(de)應用
介電陶瓷主(zhǔ)要用于制作陶瓷(ci)電容器和微波介(jie)質元件。在TiO2、MgTiO3、BaTiO3等介電(diàn)陶瓷及其複合介(jiè)電陶瓷中，添加La、Nd、Dy等(děng)稀土能顯著改善(shan)其介電性能。
如在(zài)具有高介電常數(shu)的BaTiO3陶瓷中，添加介(jie)電常數值📞ε=30~60的La、Nd稀🧑🏽🤝🧑🏻土(tu)化合物，可使其介(jie)電常數在寬溫度(dù)範圍内保持穩定(ding)，器件的使用壽命(ming)顯著提高。在熱補(bǔ)償電💞容器用介電(dian)陶瓷中，還可根據(ju)需要适當地摻加(jia)稀土，實現對陶瓷(ci)介電常數、溫度🏃系(xi)數、品質因數的改(gǎi)善或調節，擴大其(qí)應用範圍。用La2O3對熱(rè)穩定電容器钛酸(suān)鎂陶瓷進行改性(xing)，所獲得的MgO·TiO2-La2O3-TiO2系陶瓷(cí)和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系陶瓷，即保持(chi)了原💁有的介電損(sǔn)耗和溫度系數小(xiao)的特點，其介電常(cháng)數也得到了🛀顯著(zhe)提高。
微波介質陶(tao)瓷的品種繁多，摻(chān)加有稀土氧化物(wu)的BaO-RE2O3-TiO2系陶瓷就是一(yi)種應用較爲普遍(biàn)的介質材料，其介(jie)電常數ε可超過🌈80。如(ru)MgTiO3-CaTiO3-La2O3陶瓷的⛱️品質因數(shù)Qε值可高達8000，而Nd2Ti2O7-(BaPb)TiO3-TiO2陶瓷(cí)的介電常數☔ε則可(kě)達到90。由于新技術(shu)的應用，随着BaO-TiO2-SnO2-RE2O3系等(deng)新型陶瓷的開發(fa)，近年内⛷️微波陶瓷(cí)介質材料🍓的主要(yào)技術指标渴望達(da)到：Qε值約比目💋前提(ti)高一個數量級，即(ji)在💰微波頻率下爲(wèi)10000；ε在2~2000範圍内系列化(hua)🚶♀️，以适應多種用💰途(tu)；溫度系數αε則在300~-100範(fàn)圍内✉️系列化，可更(gèng)方便地獲得零溫(wēn)度系數的介質諧(xie)振器和濾波器等(děng)微波器件。
5．在敏感(gan)陶瓷中的應用
敏(mǐn)感陶瓷是功能陶(tao)瓷中的重要一種(zhong)，其特征是對某些(xie)外界條件如電壓(yā)、氣體成分、溫度、濕(shi)度等反應敏感😘，故(gu)可通過其相關電(diàn)性能參數的反應(ying)或變化來實現對(duì)電路、操作過程或(huò)環境的監控，廣泛(fàn)用于控制電路的(de)傳感元件，因此又(yòu)被稱爲傳感器陶(táo)瓷。稀土與這類陶(tao)瓷的性能👌之間存(cún)在着密切關系。
（1）電(dian)光陶瓷
在PZT中添加(jia)稀土氧化物La2O3，即可(kě)獲得透明的锆钛(tài)酸鉛镧🙇♀️（PLZT）電光陶瓷(cí)。原母體材料PZT因存(cún)在孔隙、晶界相和(hé)各向異✉️性，一般不(bú)透明，而La2O3的加入使(shi)其微觀結構趨于(yu)均勻一緻，在很🔴大(dà)程度上消除🔞了孔(kǒng)隙🥰，減弱了其各向(xiàng)異性，顯💘著減少了(le)🈲晶界上多次折射(she)所引起的光💃散射(she)和第二相所引起(qi)的光散射，故PLZT具有(you)良好的透光性能(néng)。PLZT電光陶瓷存在着(zhe)一次電光效應（波(bo)克爾效應）、二次電(diàn)光效應（克爾效應(ying)）以及光散射效應(ying)和光😘學記憶效應(ying)，其中克♈爾效應的(de)應用最爲💞普遍，如(rú)屏蔽核爆炸🍓輻射(shè)的護目鏡、重型轟(hong)炸機的窗口、光通(tong)信調制器、全息記(ji)錄裝置等。由于PLZT電(dian)光陶♻️瓷具備利用(yong)電場改變⛱️其光學(xué)性質的✊特點，它的(de)出現标志着陶瓷(ci)材料真正進入功(gong)能光學領✉️域。
（2）壓敏(min)陶瓷
中南工業大(dà)學研究了稀土元(yuan)素對ZnO壓敏陶瓷電(dian)性能的影響，用稀(xi)土氧化物La2O3對ZnO壓敏(mǐn)陶瓷進行摻雜後(hou)，其壓敏電🌈壓VlmA值㊙️顯(xian)著🈚提高；而當摻雜(za)量從0.1%增加到10%時，陶(tao)瓷的非線性系數(shu)α值❓從20下降爲1，基本(běn)無壓敏性質💘。故對(duì)于ZnO陶瓷，低濃度⚽稀(xī)土元素摻雜時可(ke)提高其壓敏電壓(yā)值，但對非線性系(xì)數影響不大；而高(gāo)濃度摻❄️雜時陶瓷(cí)則不呈現壓敏特(te)征🈲。
（3）氣敏陶瓷
從20世(shì)紀70年代開始，人們(men)就在将稀土氧化(huà)物摻加到ZnO、SnO2及Fe2O3等氣(qì)敏陶瓷材料中的(de)作用方面作了許(xu)多研究，并制得了(le)⭕ABO3型和A2BO4型稀土複合(hé)氧化物材料。有研(yan)究結果顯示，在ZnO中(zhong)加入稀土氧化物(wù)，可明顯提高其對(dui)丙烯的靈敏度；在(zai)SnO2中摻加CeO2，可得到對(duì)乙醇敏感的燒結(jie)型元件。
大連理工(gong)大學對在Fe2O3中摻加(jia)稀土氧化物RE2O3（RE=Nd、Sm、La）而獲(huò)得的REFeO3系列材料的(de)性能進行了研究(jiu)，指出材料的超微(wēi)粒化是提高氣敏(min)💘元件靈敏度的重(zhong)要因素，且稀土元(yuán)素不同☁️，對材料微(wēi)觀形貌的影響也(yě)有所不同，其中NdFeO3和(hé)SmFeO3的粒度較小，LaFeO3的粒(li)度稍大。将🤞所測REFeO3系(xì)列氣敏元件在0.13%濃(nóng)度的不同氣氛中(zhong)進行分析，發現REFeO3系(xi)列材料對乙醇均(jun)有較高📞的靈敏度(dù)，且其靈敏度高低(di)順📞序依次爲NdFeO3﹥SmFeO3﹥LaFeO3，同時(shi)對汽油的靈敏度(du)較低，對其它氣體(tǐ)幾乎🤞不反應，因此(cǐ)具有較強的選擇(zé)性。
钛酸(suan)鋇（BaTiO3）是目前研究最(zui)多且應用最廣的(de)熱敏陶瓷。當在BaTiO3中(zhong)摻加微量稀土元(yuan)素如La、Ce、Sm、Dy、Y等時（摩爾原(yuan)子分數控制爲0.2%～0.3%），由(you)☎️于用與Ba2+半🈲徑相近(jin)的RE3+取代了部分Ba2+，産(chǎn)生了👅多餘的正電(diàn)荷，并通過💔Ti4+的作用(yong)形成了弱束縛電(dian)子，故使陶瓷的電(dian)阻率顯著降低；但(dàn)若摻雜量超過一(yi)定值（如摻雜La的摩(mó)爾分數﹥0.35%），由于Ba2+空位(wèi)的形成和導電載(zǎi)流子的消失，陶瓷(cí)的電阻率反而急(jí)劇上升，甚至成爲(wèi)絕緣體。
（5）濕敏陶瓷(cí)
在種類繁多的濕(shi)敏陶瓷中，目前稀(xi)土的摻加主要爲(wèi)镧及其氧化物，如(rú)Sr1-xLaxSnO3系、La2O3-TiO2系、La2O3-TiO2-V2O5系、Sr0.95La0.05SnO3及Pd0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)0.98O3-KH2PO3等。爲了(le)進一步提高濕度(du)陶瓷的靈敏度🍓，在(zài)現性和穩定性，以(yi)增強其實用性，還(hái)🆚需加強♈稀土摻加(jia)對陶瓷相關性能(néng)影響方🤟面的研究(jiu)。
三、市場前景
智能陶瓷是指具(jù)有自診斷、自調整(zheng)、自恢複、自轉換等(deng)⭐特點的一類功能(neng)陶瓷。如前所述在(zai)锆钛酸鉛（PZT）陶💘瓷中(zhong)添加稀土🥵镧而獲(huo)得的锆钛酸鉛镧(lan)（PLZT）陶瓷，不但是一種(zhong)優良的電光陶瓷(cí)，而且因其具有形(xíng)狀記憶💃🏻功能，即體(ti)現出形狀自我恢(huī)複的自調諧機制(zhì)，故也🆚是一種智能(néng)陶瓷。智能陶瓷材(cai)料概念😄的提出，倡(chàng)導了一種研制和(hé)設計陶瓷材料的(de)新理念，對拓寬稀(xi)土在近代功能陶(tao)瓷中應用極爲有(yǒu)利。
近年的研究還(hai)表明，稀土在生物(wu)陶瓷、抗菌陶瓷等(deng)新🔴型陶瓷材料中(zhōng)也有着獨特的作(zuo)用。由于稀土元素(su)可與銀🌂、鋅、銅等過(guò)渡元素協同增效(xiào)，開發的稀土複合(hé)磷💞酸鹽抗菌可使(shi)陶瓷表面産生㊙️大(da)量的羟基自由基(jī)，從而增強了陶瓷(cí)的抗菌性能。
我國(guo)是一個衆所周知(zhi)的稀土資源大國(guó)，應進一步加強稀(xī)土摻🔞雜對功能陶(táo)瓷性能影響的研(yan)究和新型功能陶(tao)瓷的開發🐆力度，以(yǐ)充分發揮我國的(de)稀土🏃🏻♂️資源優勢，有(you)效提升稀土在高(gāo)科技材料中的應(ying)用價值。
