fun88网站

稀土zai功能陶瓷材liao謝ie膟ing用

2015/04/15

 稀土,是包括15个镧系元素和钪、钇共17个金属元素的总称。稀土元素自18世纪末相继被人men发现以来,襶an谝苯稹⑻沾伞⒉AА⑹痟ua、印染、农林等行业de到guang泛ying用。随着科学技术的进步,稀土的ying用范围不断扩大。特别是近20yu年来,稀土zai高xin技术领域的ying用de到了迅meng发展。稀土zai功能陶瓷謝ie膟ing用,就是其謝ie囊桓鰖hong要方mian。

    功能陶瓷,是20世纪特别是第二磜en澜绱髗han以后随着电zixin息、自动控制、传感技术、生物工cheng、环境科学等领域的发展而开发形成的xin型陶瓷材liao,ta可利用电、ci、声、光、热、li等直接效ying及耦合效yingsuo提供的一种或多种性质来实现某种使用功能。因功能陶瓷的品种类型fan多,性能特dian丰富且shi用mianguang,现襶an诘鐀i装置、xin号处li、传感计测、半导体元件、chao导材liao等方miande到guang泛ying用,倍受相关材liao研jiu人员和生产者men的普遍关注。
    稀土与功能陶瓷有着密莤ie墓叵怠V趕uo周知的chao导陶瓷中大bu分都含有稀土,如钇眃i瓂ang(YBCO)就是一种ju有优良高wenchao导性的yanghua物陶瓷,ta可jiangsuoxu的环境工作wen度youdiwenchao导材liao的液氦区(Tc=4.2K)提高到液氮区(Tc=77K)以上,极大地提升了chao导材liao的实用jia值。tong时,zai许多功能陶瓷的原liao中掺加一定的稀土元素,不但可gai善陶瓷的蓏han嵝浴hi密度、强度等,更zhong要的是可使其特觴ie墓δ苄ingde礿iao灾岣摺Ⅻ/div>
    稀土zai功能陶瓷謝ie膟ing用
    1.zaichao导陶瓷謝ie膟ing用
    自1987年謝iao⑷铡⒚赖萭uo材liao科学家发现yanghua物陶瓷钇眃i瓂ang(YBCO)ju有优良的高wenchao导性(Tc高da92K)以来,人menzai稀土高wenchao导陶瓷的性能研jiu及ying用开发方mian做了大量工作,并取de了许多zhong大进展,日本已有研jiu表明,用Nd、Sm、Eu、Gd等qing稀土(Ln)取代YBCO謝ie腨后,suodechao导陶瓷材liaoLnBCO的临界cichang强度显著提高,ci通钉扎li也大为zeng强,zai电li、储能和yun输等方mian极ju实用jia值。如经一定生产工艺suo制de的LnBCOkuai材,能zai77K捕集大于10T的cichang,可代替Nd-Ti用作cixuanfulieche的ci体。
    北京大学以ZrO2为衬底并加热至约200℃,分别jiangY(或其ta稀土)、Ba的yanghua物和Cu分层蒸发zai衬底上进行扩散处li,并于800~900℃wen度区间萹uei,suo制de的chao导陶磗hao?00K以上表现chuju有良hao的金属性电阻wen度系数。日本鹿儿岛大学jiang稀土La掺加到Sr、Nbyanghua物中suo制成的陶瓷薄膜,zai255K即发生chao导现象。
    2.zai压电陶瓷謝ie膟ing用
    钛酸qian(PbTiO3)是一种典型的ju备机xie能-电能耦合效ying的压电陶瓷,其居里wen度高(490℃)、介电常数di,shi于高wen簍ou咂堤跫聐ing用。但zai其制备冷queguocheng中,因产生立方-四穓iao啾涠鴜ichu现显微羪an啤N私鈐ue这一wen题,采用稀蚻ian云浣術ai性,经1150℃wen度蓏han岷罂苫馾e相对密度为99%的RE-PbTiO3陶瓷,显微组织de到明显gai善,可用于制zaozai75MHZ的高频条件下工作的换能qi阵lie。分析认为,you于稀土离ziRE3+的置换作用,使PbTiO3陶瓷介电常数减xiao及压电各向yi性(kt/kp)zeng强,特别shi用于电zi扫描医用chao声蟙i持xie幕荒躴i。并且因陶瓷的介电常数和径向机电耦合系数减xiao,其高频谐振feng变de单纯,利于制zao高灵敏度、高分辨率的chao声换能qi。
    zaiju有高压电系数的锆钛酸qian(PZT)压电陶瓷中,通guo添加La2O3、Sm2O3、Nd2O3等稀土yanghua物,可明显gai善PZT陶瓷的蓏han嵝阅懿⒗诨馾e稳定的电学性能和压电性能,这是因为用三jia的La3+、Sm3+、Nd3+等稀土离zi取代了PZT中A位的Pb2+后,使PZT陶瓷的电物li特性发生了一系lie变hua。此外,还可通guo添紋ou倭肯⊥羪anghua物CeO2来gai善PZT陶瓷的性能,且CeO2的添加量以0.2%~0.5%为yi。掺加CeO2后PZT陶瓷的体积电阻率升高,利于工艺上实现高wen簍ou叩鏲hang下极hua,其抗时间老hua和抗wen度老hua等性能也junde到gai善。经稀土gai性的PZT陶瓷,现襶an诟哐狗⑸鷔i、chao声发生qi、shui声换能qi等装置中de到guang泛ying用。
   3.zai导电陶瓷謝ie膟ing用
    以稀土yanghua物Y2O3作添加剂的钇稳定huayanghua锆(YSZ)陶瓷,高wen下ju有良hao的热稳定性和hua学稳定性,是jiaohao的yang离zi导体,zai离zi导电陶瓷中ju有突chu地位。YSZ陶瓷传感qi,已成功用于测量汽che尾qi謝ie膟ang分压,有效控制空qi/ranliao比,节能效guo显著,zai工业锅炉、熔lian炉、焚hua炉等以ran烧为主的she备中de到了guang泛ying用。YSZ陶瓷还可用作高wen固体yanghua物ranliao电池(SOFC)謝ie牡缃庵什膌iao,使用jiao多的为Zr0.9Y0.1O1.95。因SOFC采用固体电解质,故不存zai其他ranliao电池suo涉及的电解质处liwen题,并莥i恍shi咏?0%。此外,掺加有稀土的LaCr0.9Mg0.1O3、La0.85Sr0.15MnO3陶瓷及Ni-Zr(Y)O2-X金属陶瓷薄层,还可分别用作SOFC电池謝ie乃约濉⒍嗫滓跫投嗫讁ang极材liao。
    然而,YSZ陶瓷只有zai高于900℃时才表现chujiao高的离zi导电率,故其ying用仍受到一定限制。现有研jiu发现,zaiju有更高离zi导电率的Bi2O3陶瓷中,掺加shi量的Y2O3或Gd2O3,可使Bi2O3mianxin立穓iao辔榷ǖ绞襴en,tong时X射线衍射图谱也已表明,(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35jun为稳定的mianxin立方结构的高yang离zi导电相。zai这种陶瓷的侧mianzai镀上(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的保护膜后,即可制备组装成离zi导电性高、稳定性簃en夷躾ai中wen条件下(500~800℃)工作的ranliao电池和yang传感qi,利于解jue高wen技术suo带来的困膞uanⅫ/div>
    4.zai介电陶瓷謝ie膟ing用
    介电陶瓷主要用于制作陶瓷电容qi和微波介质元件。zaiTiO2、MgTiO3、BaTiO3等介电陶瓷及其复合介电陶瓷中,添加La、Nd、Dy等稀土能显著gai善其介电性能。
    如zaiju有高介电常数的BaTiO3陶瓷中,添加介电常数值ε=30~60的La、Nd稀土hua合物,可使其介电常数zai宽wen度范围内保持稳定,qi件的使用寿命显著提高。zai热补chang电容qi用介电陶瓷中,还可根据xu要shi当地掺加稀土,实现对陶瓷介电常数、wen度系数、品质因数的gai善或调节,扩大其ying用范围。用La2O3对热稳定电容qi钛酸镁陶瓷进行gai性,suo获de的MgO·TiO2-La2O3-TiO2系陶瓷和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系陶瓷,即保持了原觴ie慕榈缢鸷暮蛍en度系数xiao的特dian,其介电常数也de到了显著提高。
    微波介质陶瓷的品种fan多,掺加有稀土yanghua物的BaO-RE2O3-TiO2系陶瓷就是一种ying用jiao为普遍的介质材liao,其介电常数ε可chaoguo80。如MgTiO3-CaTiO3-La2O3陶瓷的品质因数Qε值可高da8000,而Nd2Ti2O7-(BaPb)TiO3-TiO2陶瓷的介电常数ε则可da到90。you于xin技术的ying用,随着BaO-TiO2-SnO2-RE2O3系等xin型陶瓷祄uⅲ昴谖⒉ㄌ沾山橹什膌iao的主要技术指标ke望da到:Qε值约比mu前提高一个数量ji,即zai微波频率下为10000;εzai2~2000范围内系liehua,以shiying多种觤eng荆粀en度系数αε则zai300~-100范围内系liehua,可更方便地获de零wen度系数的介謘hi痴駋i和滤波qi等微波qi件。
    5.zai敏感陶瓷謝ie膟ing用
    敏感陶瓷是功能陶瓷謝ie膠hong要一种,其特征是对某些外界条件如电压、qi体成分、wen度、shi度等反ying敏感,故可通guo其相关电性能瞱en姆磞ing或变hua来实现对电lu、操作guocheng或环綾he膉ian控,guang泛用于控制电lu的传感元件,因此又被称为传感qi陶瓷。稀土与这类陶瓷的性能之间存zai着密切关系。
    (1)电光陶瓷
    zaiPZT中添加稀土yanghua物La2O3,即可获祄eng该鞯娘阉醧ian镧(PLZT)电光陶瓷。原母体材liaoPZT因存zai孔xi、晶界相簍ou飨騳i性,一ban不tou明,而La2O3的加入使其微观结构趋于jun匀一zhi,zai很大cheng度上消除了孔xi,减ruo了其各向yi性,显著减少羢iЫ缟xi啻握凵鋝uo引起的光散射和第二相suo引起的光散射,故PLZTju有良hao的tou光性能。PLZT电光陶瓷存zai着一次电光效ying(波克尔效ying)、二次电光效ying(克尔效ying)以及光散射效ying和光学记忆效ying,其中克尔效ying的ying用最为普遍,如ping蔽he爆炸辐射的护mu镜、zhong型hong炸机的窗kou、光通xin调制qi、全息记录装置等。you于PLZT电光陶瓷ju备利用电changgai变其光学性质的特dian,ta的chu现标志着陶瓷材liao真正进入功能光学领域。
    (2)压敏陶瓷
    謝in瞎ひ荡笱а衘iu了稀土元素对ZnO压敏陶瓷电性能的影xiang,用稀土yanghua物La2O3对ZnO压敏陶瓷进行掺杂后,其压敏电压VlmA值显著提高;而当掺杂量从0.1%zeng加到10%时,陶瓷的非线性系数α值从20下降为1,ji本无压敏性质。故对于ZnO陶瓷,dinong度稀土元素掺杂时可提高其压敏电压值,但对非线性系数影xiang不大;而高nong度掺杂时陶磗hao虿怀氏盅姑籼卣鳌Ⅻ/div>
    (3)qi敏陶瓷
    从20世纪70年代开始,人men就zaijiang稀土yanghua物掺加到ZnO、SnO2及Fe2O3等qi敏陶瓷材liao謝ie淖饔梅絤ian作了许多研jiu,并制de了ABO3型和A2BO4型稀土复合yanghua物材liao。有研jiu结guo显示,zaiZnO中加入稀土yanghua物,可明显提高其对丙烯的灵敏度;zaiSnO2中掺加CeO2,可de到对乙醇敏竫ie纳zhan嵝驮Ⅻ/div>
    大连li工大学对zaiFe2O3中掺加稀土yanghua物RE2O3(RE=Nd、Sm、La)而获de的REFeO3系lie材liao的性能进行了研jiu,指chu材liao的chao微粒hua是提高qi敏元件灵敏度的zhong要因素,且稀土元素不tong,对材liao微观形貌的影xiang也有suo不tong,其中NdFeO3和SmFeO3的粒度jiaoxiao,LaFeO3的粒度shao大。jiangsuo测REFeO3系lieqi敏元件zai0.13%nong度的不tongqi氛中进行分析,发现REFeO3系lie材liao对乙醇jun有jiao高的灵敏度,且其灵敏度高di顺xu依次为NdFeO3﹥SmFeO3﹥LaFeO3,tong时对汽油的灵敏度jiaodi,对其taqi体几乎不反ying,因此ju有jiao强的xuanze性。
    (4)热敏陶瓷
钛酸钡(BaTiO3)是mu前研jiu最多且ying用最guang的热敏陶瓷。当zaiBaTiO3中掺加微量稀土元素如La、Ce、Sm、Dy、Y等时(摩尔原zi分数控制为0.2%~0.3%),you于用与Ba2+半径相近的RE3+取代了bu分Ba2+,产生了多yu的正电荷,并通guoTi4+的作用形成了ruo束缚电zi,箂hi固沾傻牡缱杪氏灾礵i;但若掺杂量chaoguo一定值(如掺杂La的摩尔分数﹥0.35%),you于Ba2+空位的形成和导电载liuzi的消失,陶瓷的电阻率反而急ju上升,甚至成为绝缘体。
    (5)shi敏陶瓷
    zai种类fan多的shi敏陶瓷中,mu前稀土的掺加主要为镧及其yanghua物,如Sr1-xLaxSnO3系、La2O3-TiO2系、La2O3-TiO2-V2O5系、Sr0.95La0.05SnO3及Pd0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)0.98O3-KH2PO3等。为了进一步提高shi度陶瓷的灵敏度,zai现性和稳定性,以zeng强其实用性,还xu加强稀土掺加对陶瓷相关性能影xiang方mian的研jiu。
    shichang前景
    随着材liao科学的发展,近年来功能复合陶瓷备受关注,稀土掺杂zai功能复合陶瓷祄u⒀衘iu方mian也取de了jiao大进展。浙江大学陈昂等,采用常gui功能陶瓷的制备方法,jiang稀土chao导陶瓷YBa2Cu3O7-x和铁电陶瓷BaTiO3复合,获de了铁电性与chao导性共存的YBa2Cu3O7-x-BaTiO3系复合功能陶瓷,其电导特性符合三维导电行为,并当YBa2Cu3O7-x含量jiao高时呈chao导性。华中li工大学周dong祥等的研jiu指chu,LaCoO3-SrCoO3系和LaCrO3-SrCrO3系复合功能陶瓷,可用作ciliu体电机的电极材liao和qi敏材liao;而zaiNTC热敏复合材liaoNiMn2O4-LaCrO3陶瓷中,xinhua合物LaMnO3导电相jue定着陶瓷的主要性质。西安交通大学的邹秦等通guo用稀土离ziY3+、La3+对(Sr,Ca)TiO3掺杂,省去了原觴ie挠眉罱鹗衾雤i(Nb5+、Ta5+)涂覆并进行热扩散的工艺,而且制de的陶瓷材liaozhi密度高、工襷hao阅芰糷ao,并保持了电阻率di(ρ为10-2Ω·cm量ji)、非线性高(非线性系数α﹥10)的介电-压敏复合功能特性。
    智能陶瓷是指ju有自诊断、自调zheng、自恢复、自转换等特dian的一类功能陶瓷。如前suo述zai锆钛酸qian(PZT)陶瓷中添加稀土镧而获de的锆钛酸qian镧(PLZT)陶瓷,不但是一种优良的电光陶瓷,而且因其ju有形状记忆功能,即体现chu形状自我恢复的自调谐机制,故也是一种智能陶瓷。智能陶瓷材liao概念的提chu,倡导了一种研制和she计陶瓷材liao的xinli念,对tuo宽稀土zai近代功能陶瓷中ying用极为有利。
    近年的研jiu还表明,稀土zai生物陶瓷、抗菌陶瓷等xin型陶瓷材liao中也有着独特的作用。you于稀土元素可与银、锌、铜等guodu元素协tongzeng效,开发的稀土复合磷酸yan抗菌可使陶瓷表mian产生大量的羟ji自youji,从而zeng强了陶瓷祄u咕阅堋Ⅻ/div>
    我guo是一个众suo周知的稀土zi詂huang骻uo,ying进一步加强稀土掺杂对功能陶瓷性能影xiang的研jiu和xin型功能陶瓷祄ui度,以充分发挥我guo的稀土zi源优势,有效提升稀土zai高科技材liao謝ie膟ing用jia值。