一、稀土與(yu)功能陶瓷(cí)
稀土，是包(bao)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(tu)元🌈素自18世(shi)紀末相繼(jì)被人們發(fā)現以來，已(yi)🍉在冶🧑🏾🤝🧑🏼金、陶(tao)瓷、玻璃、石(shí)化、印染、農(nong)林等行業(yè)得到廣泛(fàn)應用。随着(zhe)科學技術(shù)的進步，稀(xī)土的應♍用(yong)範圍不斷(duan)擴大。特别(bie)是近20餘年(nián)來，稀土在(zài)高新技術(shù)領域的應(yīng)🔴用得到了(le)迅猛發展(zhǎn)。稀土在功(gōng)能陶瓷中(zhōng)的應用，就(jiù)是其中的(de)一個重要(yào)方面。
功能(néng)陶瓷，是20世(shì)紀特别是(shi)第二次世(shì)界大戰以(yi)後随着🚶♀️電(dian)子信息、自(zì)動控制、傳(chuan)感技術、生(sheng)物工程、環(huan)境科學等(děng)領域🐕的發(fa)展而開發(fa)🤞形成的新(xin)型陶瓷材(cai)料，它可利(lì)用電、磁、聲(shēng)、光、熱、力等(deng)直接🏃♀️效應(ying)及耦合效(xiào)應所提供(gòng)的一種或(huo)多種性質(zhi)來實現某(mou)種使用功(gong)能。因功能(neng)陶瓷的品(pin)種類型繁(fan)多，性能特(te)點豐富且(qie)适用面廣(guang)，現已在電(diàn)㊙️器裝置、信(xin)号處理、傳(chuan)感計測、半(ban)🐉導體元件(jiàn)、超導材料(liao)等😄方面得(dé)到廣泛應(yīng)用，倍受相(xiàng)關材料研(yán)究人員和(hé)生産者們(men)的普遍關(guān)注。
稀土與(yǔ)功能陶瓷(cí)有着密切(qie)的關系。衆(zhōng)所周知的(de)超導陶瓷(cí)中大部分(fen)都含有稀(xī)土，如钇鋇(bei)銅氧（YBCO）就是(shi)一種具有(yǒu)優良高溫(wēn)超導性的(de)氧化物陶(tao)瓷，它可将(jiang)所需的環(huán)境工作溫(wen)度由低溫(wēn)超🌈導材料(liào)的液氦區(qū)（Tc=4.2K）提高到液(ye)氮區（Tc=77K）以上(shang)，極大地提(ti)升了超導(dǎo)材♻️料的實(shí)用價值。同(tóng)時，在🍓許多(duō)功能陶瓷(ci)的原料中(zhong)摻加一定(dìng)的稀土元(yuán)素，不但可(ke)改善陶瓷(ci)的🤟燒結性(xìng)、緻密度💯、強(qiáng)度等，更重(zhong)要💯的是可(ke)使其特有(you)的功能效(xiao)應得到顯(xian)著⛹🏻♀️提高。
二(er)、稀土在功(gōng)能陶瓷中(zhōng)的應用
1．在(zài)超導陶瓷(ci)中的應用(yong)
自1987年中、日(ri)、美等國材(cai)料科學家(jia)發現氧化(huà)物陶瓷钇(yi)鋇銅氧⭐（YBCO）具(ju)有優良的(de)高溫超導(dǎo)性（Tc高達92K）以(yi)來，人們在(zai)稀土高溫(wēn)超導陶瓷(cí)的性能研(yan)究及應用(yong)開發方面(mian)做了大量(liang)工作，并取(qǔ)得了許多(duō)重大進展(zhǎn)，日本已有(yǒu)研究表明(míng)，用Nd、Sm、Eu、Gd等輕稀(xi)土（Ln）取代YBCO中(zhōng)的Y後，所得(de)超導陶瓷(ci)🧡材料LnBCO的臨(lin)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(děng)方面極具(jù)實用價值(zhí)。如經一定(ding)生産工藝(yì)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(zuo)磁懸浮列(liè)車的磁體(ti)。
北京大學(xué)以ZrO2爲襯底(dǐ)并加熱至(zhi)約200℃，分别将(jiang)Y（或其它稀(xi)土）、Ba的氧📱化(huà)物和Cu分層(ceng)蒸發在襯(chèn)底上進行(hang)擴散處理(li)，并于800～900℃溫度(dù)區間熱處(chu)理，所制得(dé)的超導陶(tao)瓷在100K以上(shàng)⛹🏻♀️表現出具(jù)有良好的(de)金屬性電(dian)阻溫度系(xi)數。日本鹿(lù)兒島大學(xue)将稀土La摻(chan)加到Sr、Nb氧化(huà)⭐物中所制(zhì)成的陶瓷(ci)⚽薄膜，在255K即(ji)發生超導(dǎo)現象🔞。
2. 在壓(yā)電陶瓷中(zhong)的應用
钛(tai)酸鉛（PbTiO3）是一(yī)種典型的(de)具備機械(xie)能-電能耦(ǒu)合效應的(de)壓電陶瓷(cí)，其居裏溫(wēn)度高（490℃）、介電(diàn)常數低，适(shi)于高溫📞和(hé)高頻條🏒件(jian)下應用。但(dan)在🌈其制備(bèi)冷卻過程(cheng)中，因産生(sheng)立方-四方(fāng)相變而易(yi)出現顯微(wei)裂紋。爲了(le)解決這一(yi)問題，采用(yòng)稀土對⚽其(qi)進行改性(xìng)，經1150℃溫度燒(shao)結後可獲(huo)得相對密(mì)度爲99%的RE-PbTiO3陶(tao)瓷，顯微組(zu)織得到明(ming)顯改善，可(kě)用于制造(zào)在75MHZ的高頻(pín)條件下工(gong)作的換能(néng)器陣列。分(fen)析認爲，由(you)于稀土離(lí)子RE3+的置換(huàn)作🌈用，使PbTiO3陶(táo)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(yong)于電子掃(sao)描醫用超(chao)聲系統中(zhong)🌈的換能器(qi)。并且因陶(tao)瓷的介電(diàn)常數和徑(jing)向機電耦(ǒu)合系數減(jian)小，其高頻(pín)諧振峰變(biàn)得單純，利(lì)于制造高(gāo)靈敏度、高(gao)分辨率的(de)超聲換能(neng)器。
在具有(you)高壓電系(xì)數的锆钛(tài)酸鉛（PZT）壓電(dian)陶瓷中，通(tong)過添加La2O3、Sm2O3、Nd2O3等(deng)稀土氧化(hua)物，可明顯(xian)改善PZT陶瓷(cí)的燒結性(xing)能并利💜于(yu)獲得穩定(ding)的電學性(xing)能和壓電(diàn)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(táo)瓷的電物(wù)理特性發(fā)生㊙️了一系(xì)列變化。此(cǐ)外，還可通(tong)過💃🏻添加少(shao)量稀土氧(yang)化物CeO2來改(gǎi)善PZT陶瓷的(de)性能，且CeO2的(de)添🔆加量以(yi)0.2%～0.5%爲宜。摻加(jiā)CeO2後PZT陶瓷的(de)體積電阻(zǔ)率升高，利(lì)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(deng)性🆚能也均(jun1)得到改善(shàn)🚶♀️。經稀土改(gai)性的PZT陶瓷(cí)，現已在高(gāo)壓發生器(qì)、超😄聲發生(sheng)器、水聲換(huàn)能器等裝(zhuāng)置中得到(dao)廣泛應用(yòng)。
3．在導電陶(táo)瓷中的應(yīng)用
然而，YSZ陶瓷(cí)隻有在高(gao)于900℃時才表(biao)現出較高(gāo)的離子導(dǎo)電率，故其(qí)應用仍受(shòu)到一定限(xiàn)制。現有研(yán)究發現，在(zai)具有更高(gao)離子導電(diàn)率的🌈Bi2O3陶瓷(cí)中，摻加适(shi)量的Y2O3或Gd2O3，可(kě)使Bi2O3面心立(li)方相穩定(dìng)到室溫，同(tong)時X射線衍(yǎn)射圖譜也(yě)已表明，(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和(hé)(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35均爲穩定(dìng)的面心立(lì)方結構的(de)高氧離子(zi)導電相。在(zai)這種陶瓷(ci)的側面再(zai)鍍上(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的🔆保(bao)護膜後，即(ji)✨可制備組(zǔ)裝成離子(zǐ)導電性高(gāo)🐕、穩定性好(hǎo)且能在中(zhōng)💔溫條件下(xià)（500 ~800℃）工作的燃(ran)料電池和(hé)氧傳感器(qi)，利于解決(jue)🈲高溫技術(shù)所帶來的(de)困難。
4．在介(jiè)電陶瓷中(zhōng)的應用
介(jiè)電陶瓷主(zhǔ)要用于制(zhì)作陶瓷電(diàn)容器和微(wēi)波介質元(yuán)件。在TiO2、MgTiO3、BaTiO3等🐪介(jiè)🤩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(jie)電性能。
如(ru)在具有高(gao)介電常數(shù)的BaTiO3陶瓷中(zhōng)，添加介電(dian)常數值ε=30~60的(de)La、Nd稀土化🏃♀️合(hé)物，可使其(qí)介電常數(shu)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(tao)瓷介電常(chang)數、溫度♊系(xi)數、品質因(yin)數的改💋善(shan)或調節，擴(kuo)大其應用(yòng)範圍。用La2O3對(dui)熱穩定電(dian)容器钛酸(suan)鎂陶瓷進(jìn)行改性，所(suo)獲得的MgO·TiO2-La2O3-TiO2系(xi)陶瓷和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系(xì)陶☂️瓷，即保(bǎo)持了原有(yǒu)的介電損(sǔn)耗和溫度(du)系數小的(de)特點，其✉️介(jie)🙇♀️電常數也(ye)得到了🚩顯(xiǎn)著提高。
微(wei)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(yong)較爲普遍(bian)的介質材(cái)料，其介電(dian)常🤟數ε可超(chao)過80。如MgTiO3-CaTiO3-La2O3陶瓷(ci)的品質因(yin)數Qε值可高(gao)達8000，而Nd2Ti2O7-(BaPb)TiO3-TiO2陶瓷(ci)的介電常(cháng)數ε則可達(dá)到90。由于新(xīn)技術💋的應(ying)用，随着BaO-TiO2-SnO2-RE2O3系(xì)等新型💃🏻陶(tao)瓷的開發(fā)，近年内微(wēi)波陶瓷介(jie)質材料的(de)主要技術(shu)指标渴望(wàng)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(fan)圍内系列(liè)化，以适應(ying)多種用途(tu)；溫度系數(shu)αε則在300~-100範圍(wei)内系列化(hua)，可更方便(bian)地獲得零(líng)溫度系數(shu)的介質諧(xie)振器和濾(lǜ)波器等微(wēi)波器件🛀🏻。
5．在(zài)敏感陶瓷(cí)中的應用(yong)
敏感陶瓷(ci)是功能陶(tao)瓷中的重(zhòng)要一種，其(qí)特征是對(duì)某💛些外♍界(jiè)條件如電(dian)壓、氣體成(cheng)分、溫度、濕(shī)度等反應(yīng)⭐敏感，故可(ke)通過🛀🏻其相(xiang)關電🆚性能(neng)參數的反(fǎn)應或變化(huà)來實現🥰對(dui)電路、操作(zuò)過程或環(huan)境的監控(kòng)，廣泛用于(yu)控制電路(lu)的傳感元(yuan)❄️件，因此又(you)被稱爲傳(chuán)感器陶瓷(ci)。稀土與這(zhè)類陶瓷的(de)性能之間(jiān)存在着💰密(mi)切關系。
（1）電(dian)光陶瓷
在(zai)PZT中添加稀(xī)土氧化物(wù)La2O3，即可獲得(de)透明的锆(gao)钛酸鉛镧(lan)（PLZT）電光陶瓷(cí)。原母體材(cai)料PZT因存在(zài)孔隙、晶界(jie)相和各向(xiàng)異性，一般(ban)不透明，而(er)La2O3的加入使(shi)其微觀結(jie)構趨于均(jun)勻一緻，在(zai)很大程度(dù)上消除了(le)孔隙，減弱(ruo)了其各向(xiàng)異性，顯著(zhe)減少了晶(jīng)界上多次(cì)折射所引(yin)起的光散(sàn)射和第二(er)相所引起(qi)的光散射(she)，故PLZT具有良(liang)好的透光(guang)性能。PLZT電光(guāng)陶瓷存在(zài)着一次電(dian)光效應（波(bō)克爾效🌏應(ying)）、二次電光(guāng)效應（克爾(ěr)效應）以及(ji)光散射效(xiao)應和光學(xue)記憶效應(ying)，其中克爾(er)效應的應(yīng)用最爲普(pǔ)遍，如屏蔽(bì)核爆炸輻(fu)射的護目(mù)🌈鏡、重型轟(hong)炸機的窗(chuang)口、光通信(xìn)調制器、全(quan)息記錄裝(zhuang)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(tao)瓷材料真(zhen)正進入功(gōng)能光學領(lǐng)域。
中南工(gong)業大學研(yán)究了稀土(tu)元素對ZnO壓(yā)敏陶瓷電(diàn)性能💃🏻的影(ying)👉響，用稀土(tu)氧化物La2O3對(dui)ZnO壓敏陶瓷(cí)進行摻雜(za)後🏒，其壓敏(min)電壓VlmA值顯(xian)著提高；而(er)當摻雜量(liàng)從0.1%增加到(dào)10%時，陶瓷的(de)非線性系(xi)數α值從20下(xià)降爲1，基本(ben)無壓敏性(xing)質🤟。故對于(yu)ZnO陶瓷，低濃(nóng)度稀土元(yuan)素摻雜時(shí)可㊙️提高其(qi)壓敏電壓(ya)值，但對非(fei)線性系數(shù)影響不大(da)；而高濃度(du)摻雜時陶(táo)瓷則🔱不呈(cheng)現壓敏特(tè)征。
（3）氣敏陶(táo)瓷
從20世紀(jì)70年代開始(shǐ)，人們就在(zai)将稀土氧(yǎng)化物摻加(jiā)到ZnO、SnO2及Fe2O3等🏃🏻♂️氣(qi)敏陶🌂瓷材(cái)料中的作(zuò)用方面作(zuò)了許多研(yán)究，并制得(dé)了ABO3型和A2BO4型(xing)稀💚土複合(he)氧化物材(cai)料。有研究(jiū)結果顯示(shi)，在ZnO中加入(ru)稀土氧化(huà)物，可明顯(xian)提高其對(duì)丙烯的靈(líng)敏🚶度；在SnO2中(zhong)摻加CeO2，可得(dé)到對乙醇(chún)敏感的燒(shāo)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(wù)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(jiu)，指出材料(liao)的超微粒(lì)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(dui)材料微觀(guan)形貌的影(yǐng)響也有所(suo)不同，其中(zhong)NdFeO3和SmFeO3的粒度(dù)較小，LaFeO3的粒(lì)度稍大。将(jiāng)所測REFeO3系列(lie)氣敏元件(jiàn)在0.13%濃度的(de)不同氣氛(fen)中進行分(fen)析，發現REFeO3系(xì)列材料對(duì)💋乙醇均有(you)較高的靈(ling)敏度，且其(qi)靈敏度高(gāo)低順序依(yi)次爲NdFeO3﹥SmFeO3﹥LaFeO3，同時(shi)對汽油的(de)靈敏度較(jiao)低，對其它(tā)氣體幾乎(hū)不反應，因(yin)此具有較(jiào)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(guang)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(mo)爾原子分(fen)數控制爲(wèi)0.2%～0.3%），由于用與(yǔ)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(bing)通過Ti4+的作(zuò)用形成了(le)弱束縛電(dian)子，故使陶(táo)瓷的電阻(zu)率顯著降(jiàng)低；但若摻(chān)雜量超過(guo)一定值（如(ru)摻雜☎️La的摩(mó)爾分數﹥0.35%），由(you)于Ba2+空位的(de)形成和導(dǎo)電載流子(zǐ)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。
（5）濕敏(mǐn)陶瓷
在種(zhǒng)類繁多的(de)濕敏陶瓷(ci)中，目前稀(xī)土的摻加(jia)主要爲镧(lán)及其氧化(huà)物，如Sr1-xLaxSnO3系、La2O3-TiO2系(xì)、La2O3-TiO2-V2O5系、Sr0.95La0.05SnO3及Pd0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)0.98O3-KH2PO3等。爲(wei)了進一步(bu)提高濕度(du)陶瓷的靈(ling)敏度，在現(xian)性和穩定(ding)性，以增強(qiang)其實用性(xìng)，還需加強(qiang)稀土摻加(jiā)對陶瓷相(xiàng)關性能影(yǐng)響方面的(de)研究。
随(suí)着材料科(ke)學的發展(zhan)，近年來功(gong)能複合陶(táo)瓷備受關(guan)注，稀土摻(chan)雜在功能(neng)複合陶瓷(cí)的開發研(yan)究方面🔞也(ye)取得了較(jiào)大進展。浙(zhè)江大學陳(chén)昂等，采用(yòng)常規功能(neng)陶瓷的制(zhì)備方法，将(jiāng)稀土超導(dao)陶瓷YBa2Cu3O7-x和鐵(tiě)電陶瓷BaTiO3複(fú)合，獲得❤️了(le)鐵電性🆚與(yǔ)超導性✨共(gòng)存的YBa2Cu3O7-x- BaTiO3系複(fú)合功能陶(táo)瓷，其電導(dǎo)特性符合(hé)三維導電(dian)行爲，并當(dāng)YBa2Cu3O7-x含量較高(gao)時呈超導(dǎo)㊙️性。華中理(lǐ)工大學周(zhōu)東祥等的(de)研究指☁️出(chu)，LaCoO3-SrCoO3系和LaCrO3- SrCrO3系複(fú)合功能陶(táo)瓷，可用作(zuo)磁流體電(diàn)機的電極(ji)材料和氣(qì)敏材料；而(er)在NTC熱敏複(fu)合材料NiMn2O4-LaCrO3陶(táo)瓷中，新化(huà)合物LaMnO3導電(diàn)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(yòng)稀土離子(zi)Y3+、La3+對（Sr,Ca）TiO3摻雜👨❤️👨，省(shěng)去了原有(you)的用堿金(jin)屬離子（Nb5+、Ta5+）塗(tú)覆并進行(háng)熱擴散的(de)工藝，而且(qie)制得的陶(tao)瓷材料緻(zhì)密度高、工(gong)藝性能良(liang)好，并保🆚持(chí)了電阻率(lǜ)低（ρ爲10-2Ω·cm量級(jí)）、非線性高(gāo)（非線性系(xi)數α﹥10）的介電(dian)-壓敏複合(hé)功能特性(xìng)。
智能陶瓷(cí)是指具有(yǒu)自診斷、自(zì)調整、自恢(hui)複、自轉換(huàn)等特點的(de)⭐一類功能(néng)陶瓷。如前(qian)所述在锆(gao)钛酸鉛（PZT）陶(táo)瓷中添加(jia)🐇稀土镧而(er)獲得的锆(gao)钛酸鉛镧(lan)（PLZT）陶瓷，不但(dàn)是一種優(yōu)良的電光(guāng)陶瓷，而且(qiě)因其具🔞有(yǒu)形狀記憶(yi)功能，即體(tǐ)😘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(zhi)能陶🏃瓷材(cai)料概念的(de)提出，倡導(dǎo)了一種研(yan)制和♉設計(jì)陶瓷材料(liào)的新理念(nian)，對拓寬稀(xi)土在近代(dai)功能陶瓷(cí)中應👣用極(ji)爲有💰利。
近(jìn)年的研究(jiū)還表明，稀(xi)土在生物(wu)陶瓷、抗菌(jun)陶瓷等新(xin)型陶瓷材(cai)料中也有(yǒu)着獨特的(de)作用。由于(yú)稀土元💘素(sù)可與銀、鋅(xīn)、銅㊙️等過渡(du)元素協同(tong)增效，開發(fa)的稀土複(fú)合磷酸鹽(yan)抗菌可使(shǐ)🙇♀️陶瓷表面(miàn)産生大量(liàng)的羟基自(zi)由基，從而(er)增強了♌陶(táo)瓷的抗菌(jun1)性能。
我國(guó)是一個衆(zhōng)所周知的(de)稀土資源(yuan)大國，應進(jìn)一步📞加強(qiang)稀土摻雜(za)對功能陶(tao)瓷性能影(ying)響的研究(jiū)和新👌型功(gōng)能陶瓷的(de)開發力度(du)，以充分發(fa)揮我國的(de)稀土🔴資源(yuán)優勢，有效(xiao)提升稀土(tǔ)在高科技(jì)材料中的(de)應用💋價值(zhi)。
