稀土，是包括15個(ge)镧系元素和钪(kang)、钇共17個金屬元(yuán)素的總稱。稀土(tǔ)元素自18世紀末(mo)相繼被人們發(fā)現以來，已在冶(ye)🔞金、陶✉️瓷、玻璃、石(shi)🛀化、印染、農林等(deng)行業得到廣泛(fàn)應用。随着科學(xué)技術的進步，稀(xī)土的應用範圍(wei)不斷💃🏻擴大。特别(bie)🔴是近20餘年來，稀(xi)土在高新技術(shu)領域的應用得(de)到了迅猛發展(zhǎn)。稀土👨❤️👨在功能陶(táo)瓷📞中的應用，就(jiu)是其中的一🐅個(gè)重要方面。
功能(neng)陶瓷，是20世紀特(te)别是第二次世(shi)界大戰以後随(suí)着電子✌️信息、自(zi)動控制、傳感技(jì)術、生物工程、環(huan)境科學等領域(yu)的發展而🔱開發(fa)形成的新型陶(tao)瓷材料，它可利(lì)用電、磁、聲、光、熱(re)、力等直接效應(yīng)及耦合效應所(suǒ)提供的一種或(huo)多種性質來實(shí)現某種使用功(gōng)能。因功能陶瓷(cí)的品種類型繁(fán)多，性能特點🔞豐(fēng)富且适用❌面廣(guǎng)，現已在電🔆器裝(zhuang)置、信号處⁉️理、傳(chuan)感計測、半導體(ti)元件、超導材料(liao)等方面得到廣(guang)泛應用，倍受相(xiàng)關材料研究人(ren)員和生産者們(men)的普遍關注。
二(er)、稀土在功能陶(táo)瓷中的應用
1．在(zai)超導陶瓷中的(de)應用
自1987年中、日(rì)、美等國材料科(ke)學家發現氧化(huà)物陶瓷钇🐇鋇✏️銅(tong)氧（YBCO）具有優良的(de)高溫超導性（Tc高(gāo)達92K）以來，人們在(zài)稀土高溫🏃♀️超導(dǎo)陶瓷的性能研(yán)究及應用開發(fa)方面做了大量(liàng)工作，并取得了(le)許多重大進展(zhan)，日本已有研究(jiū)表明，用Nd、Sm、Eu、Gd等輕稀(xī)土（Ln）取代YBCO中的Y後(hòu)，所得超導陶瓷(ci)材料LnBCO的臨界磁(cí)場強度顯著提(ti)高，磁通釘紮力(lì)也大爲增強，在(zai)電力❓、儲能和運(yun)輸等方面極具(ju)實用⭕價值。如經(jīng)一定生産工藝(yi)所制得的LnBCO塊材(cai)，能在77K捕集大于(yu)10T的磁場，可代替(tì)Nd-Ti用作磁懸浮列(liè)車的磁體。
北京(jīng)大學以ZrO2爲襯底(dǐ)并加熱至約200℃，分(fèn)别将Y（或其它稀(xī)🤩土）、Ba的氧化物和(he)Cu分層蒸發在襯(chèn)底上進行擴散(sàn)處理⭐，并于🧑🏽🤝🧑🏻800～900℃溫度(du)✏️區間熱處理，所(suo)制得的超導陶(tao)瓷在100K以上表現(xiàn)出具有良好的(de)金屬性電阻溫(wen)度系數。日本鹿(lù)兒島大學将稀(xī)土La摻✉️加到Sr、Nb氧化(hua)物中所制成的(de)陶瓷薄膜，在255K即(jí)發生超導現象(xiang)。
2. 在壓電陶瓷中(zhong)的應用
钛酸鉛(qiān)（PbTiO3）是一種典型的(de)具備機械能-電(dian)能耦合效應的(de)壓電陶瓷✊，其居(jū)裏溫度高（490℃）、介電(dian)常數低，适于高(gāo)溫和高頻條件(jian)下應用💔。但在其(qi)制備冷卻過程(chéng)中，因産生立方(fang)-四方相變而易(yì)出現顯微裂紋(wen)。爲了解決這一(yi)問題，采🧑🏾🤝🧑🏼用稀土(tu)對其進行改性(xìng)，經1150℃溫度燒結後(hòu)可獲得相對密(mi)度爲99%的RE-PbTiO3陶瓷，顯(xian)微組織得到明(ming)顯改善，可用于(yú)制造在75MHZ的高頻(pín)條件下工作的(de)換能器陣列。分(fen)析認爲，由于稀(xī)土離子🔞RE3+的置換(huàn)作用，使PbTiO3陶瓷介(jiè)電常數減小及(ji)壓電各☀️向異性(xìng)(kt/kp)增強，特别适🛀🏻用(yòng)于電子掃描醫(yī)用超聲系統中(zhong)的換能🐉器。并且(qie)因陶瓷的介電(diàn)常數和徑向機(ji)🔞電耦合系數減(jiǎn)小，其高頻諧振(zhèn)峰👈變得單純，利(li)🌈于制造高靈敏(min)度、高分辨率的(de)超聲換能器。
在(zai)具有高壓電系(xi)數的锆钛酸鉛(qiān)（PZT）壓電陶瓷中，通(tong)過添加La2O3、Sm2O3、Nd2O3等📞稀土(tu)氧化物，可明顯(xian)改善PZT陶瓷的燒(shāo)結性能并利🌈于(yú)獲得穩定的😄電(diàn)學性能和壓電(dian)性能，這是因爲(wèi)用三價的La3+、Sm3+、Nd3+等稀(xī)土離子取代🙇♀️了(le)PZT中A位🍉的Pb2+後，使PZT陶(tao)瓷的電物理特(te)性發生了一系(xi)列變化。此外，還(hai)可通過添加少(shǎo)量稀土氧化物(wu)CeO2來改善PZT陶瓷的(de)性能，且CeO2的添加(jia)量以0.2%～0.5%爲宜。摻加(jiā)CeO2後PZT陶瓷的體積(ji)電阻率升高，利(li)于工藝上實現(xiàn)高溫和高電❄️場(chang)下極化，其抗時(shí)間老化和抗溫(wēn)度老化等性能(neng)也均得到改善(shàn)。經稀土改性的(de)PZT陶瓷，現已在高(gāo)壓發生器、超聲(sheng)發生器、水聲換(huàn)能♋器等裝置中(zhōng)得到廣泛應⭐用(yòng)。
3．在導電陶瓷中(zhong)的應用
以稀土(tǔ)氧化物Y2O3作添加(jia)劑的钇穩定化(huà)氧化锆(YSZ)陶瓷，高(gāo)🚶溫下具有良好(hao)的熱穩定性和(he)化學穩定性，是(shì)較好的氧離子(zi)導🌈體，在離子🈲導(dao)電陶瓷中具有(you)突出地位。YSZ陶瓷(cí)傳感器，已成功(gong)用于測量汽車(che)尾氣中的氧分(fen)壓，有效🧡控制空(kōng)氣/燃料比，節🔴能(néng)效果顯👈著，在工(gōng)業鍋爐、熔煉爐(lú)、焚化爐等以燃(ran)燒爲主的設備(bei)中得到了廣泛(fàn)應用。YSZ陶瓷還可(ke)用作高溫固體(tǐ)氧化物💛燃料電(dian)池(SOFC)中的電解質(zhi)材料，使用較多(duō)的爲Zr0.9Y0.1O1.95。因SOFC采用固(gu)體💛電♍解質，故不(bú)存在其他燃料(liào)電池所涉💋及的(de)電解質處理問(wèn)題，并且轉換效(xiào)率接近60%。此外，摻(chan)加有稀土的LaCr0.9Mg0.1O3、La0.85Sr0.15MnO3陶(táo)瓷及Ni-Zr(Y)O2-X金屬陶瓷(ci)薄層，還可分别(bie)用作SOFC電池中的(de)雙極性極闆、多(duō)孔陰極和多孔(kǒng)陽極材料。
介電陶(táo)瓷主要用于制(zhì)作陶瓷電容器(qì)和微波介質元(yuan)件。在⚽TiO2、MgTiO3、BaTiO3等介電陶(táo)瓷及其複合介(jie)電陶瓷中，添加(jiā)La、Nd、Dy等稀土能顯著(zhe)改🏃♀️善其介電性(xìng)能。
如在具有高(gāo)介電常數的BaTiO3陶(tao)瓷中，添加介電(dian)常數值ε=30~60的La、Nd稀土(tu)化合物，可使其(qí)介電常數在寬(kuān)溫度範圍内保(bao)持穩定，器件的(de)使用壽🥰命顯著(zhe)提高。在熱補償(cháng)電容器用介電(dian)陶瓷中，還🥰可根(gēn)據需要适當地(di)摻加稀👅土，實現(xiàn)對陶瓷介電💜常(chang)數、溫度系數、品(pǐn)質因數的改善(shan)或調節，擴大其(qi)應用範圍。用La2O3對(duì)熱穩定電容器(qì)钛酸鎂陶瓷進(jìn)行改性，所獲得(dé)的MgO·TiO2-La2O3-TiO2系陶瓷和CaTiO3-MgTiO3-La2TiO5系(xi)陶瓷，即保持了(le)原有的介電損(sǔn)耗和溫度系數(shu)小的特點，其🙇♀️介(jiè)電常數也得到(dao)了㊙️顯著提高。
微(wēi)波介質陶瓷的(de)品種繁多，摻加(jia)有稀土氧化物(wu)的BaO-RE2O3-TiO2系陶瓷就是(shì)一種應用較爲(wei)普遍的介質材(cai)料，其介電常數(shù)ε可超過80。如MgTiO3-CaTiO3-La2O3陶瓷(ci)的品質因數Qε值(zhi)可高達8000，而Nd2Ti2O7-(BaPb)TiO3-TiO2陶瓷(ci)的介電常數ε則(ze)可達到90。由于新(xīn)技術的應用，随(suí)着BaO-TiO2-SnO2-RE2O3系等新型陶(táo)瓷的開發，近年(nián)内微波陶瓷介(jiè)質材料的主要(yào)技術指标渴望(wàng)達💔到：Qε值約比目(mu)前提高一個🏃♀️數(shù)量級，即在微波(bo)頻率下爲10000；ε在2~2000範(fan)圍内系列化，以(yi)适應多種用途(tú)；溫度系數αε則在(zai)300~-100範圍内系列化(hua)，可更方💘便地獲(huò)得零溫度系數(shu)的介質諧振器(qì)和濾波器等微(wei)波器件。
5．在敏感(gǎn)陶瓷中的應用(yong)
（1）電(dian)光陶瓷
在PZT中添(tiān)加稀土氧化物(wu)La2O3，即可獲得透明(míng)的锆钛酸鉛📧镧(lán)（PLZT）電光❓陶瓷☂️。原母(mǔ)體材料PZT因存在(zai)孔隙、晶界相和(hé)各向異性，一般(ban)不透明，而La2O3的加(jiā)入使其微觀結(jie)構趨于均勻一(yī)緻，在很大程度(dù)上消除了孔隙(xi)，減弱了其各向(xiàng)異性，顯著減少(shǎo)了晶界上多次(ci)折射所引起的(de)光散射和第二(er)相所引起的光(guang)散射，故PLZT具有良(liang)好的透光性能(néng)。PLZT電光陶瓷存在(zài)着一次電光效(xiào)應（波克爾效應(yīng)）、二次電光效應(yīng)（克爾效應）以及(jí)光散射效應和(he)光學記憶效應(yīng)，其中克📐爾效應(ying)的應用最爲普(pǔ)遍，如屏蔽核爆(bao)炸輻射的護目(mù)鏡、重型轟炸機(jī)的窗口、光通信(xin)調制器、全息記(ji)㊙️錄裝置等。由于(yu)PLZT電光陶❌瓷具備(bèi)利用電場改變(biàn)其光學性質的(de)特點，它的出現(xiàn)标志着陶瓷💁材(cai)料真正進入功(gong)能光學🍉領域。
（2）壓(ya)敏陶瓷
中南工(gōng)業大學研究了(le)稀土元素對ZnO壓(ya)敏陶瓷電性能(néng)的影響，用稀土(tǔ)氧化物La2O3對ZnO壓敏(mǐn)陶瓷進行摻雜(zá)後，其壓敏電壓(yā)VlmA值🏃🏻顯著提高；而(er)當摻雜量從0.1%增(zēng)加到10%時，陶瓷的(de)非線性系數α值(zhí)從20下降爲1，基本(ben)無壓敏性質🧡。故(gù)對于ZnO陶瓷，低濃(nóng)度稀土元素🐅摻(chan)雜時可提高其(qí)壓敏電壓值，但(dàn)🧡對非線性系數(shù)影響不大；而高(gao)濃度摻雜時陶(tao)瓷則不☀️呈現壓(yā)敏特征。
（3）氣敏陶(táo)瓷
從20世紀70年代(dai)開始，人們就在(zai)将稀土氧化物(wù)摻加到ZnO、SnO2及Fe2O3等氣(qi)敏陶瓷材料中(zhōng)的作用方面作(zuo)了許多研究，并(bing)制得了ABO3型和A2BO4型(xíng)稀土複合氧化(huà)物材料。有研究(jiū)結果顯示，在ZnO中(zhong)加入稀土氧化(hua)物⛷️，可明顯提高(gāo)其對丙烯的靈(ling)敏度；在SnO2中摻加(jia)CeO2，可得到對乙醇(chún)敏感的燒結型(xíng)元件。
大連理工(gong)大學對在Fe2O3中摻(chan)加稀土氧化物(wu)RE2O3（RE=Nd、Sm、La）而獲得的☁️REFeO3系列(lie)材料的性能進(jìn)行了研究，指出(chu)材料的超微粒(lì)化是提高✊氣敏(min)🥰元件🏃🏻靈敏度的(de)重要因素，且稀(xī)土元素不同🌈，對(dui)材料微觀形貌(mao)的影響也有🧡所(suǒ)不同，其中NdFeO3和SmFeO3的(de)粒度較小，LaFeO3的粒(lì)度稍大。将✂️所測(ce)REFeO3系列氣敏元件(jiàn)🧑🏽🤝🧑🏻在0.13%濃度的不同(tóng)氣氛中進行分(fen)析，發現REFeO3系列材(cai)料對🐪乙醇均有(yǒu)較高的靈敏度(dù)，且其⭐靈敏度高(gāo)低順序依次爲(wei)NdFeO3﹥SmFeO3﹥LaFeO3，同時對汽油的(de)靈敏度較低，對(duì)其它氣體幾乎(hu)不反應，因此具(jù)有較強的選擇(ze)性。
（4）熱敏陶瓷
钛(tai)酸鋇（BaTiO3）是目前研(yan)究最多且應用(yòng)最廣的熱敏陶(táo)瓷。當在BaTiO3中摻加(jia)微量稀土元素(su)如La、Ce、Sm、Dy、Y等時（摩爾原(yuan)子分數控制爲(wei)0.2%～0.3%），由于用與Ba2+半徑(jìng)相近的RE3+取代了(le)部分Ba2+，産生了多(duo)餘的正電荷，并(bing)通過Ti4+的作用形(xing)成了弱束縛電(dian)子，故使陶瓷🏃🏻的(de)電阻率顯著降(jiàng)低；但若摻雜量(liàng)超過一定值（如(ru)摻雜La的摩爾分(fen)數﹥0.35%），由于Ba2+空位的(de)形成和導電‼️載(zai)流子的消失，陶(táo)瓷的電阻率❓反(fan)而急劇上升，甚(shèn)至成爲絕緣♋體(ti)。
（5）濕敏陶瓷
在種(zhong)類繁多的濕敏(mǐn)陶瓷中，目前稀(xi)土的摻加主要(yào)👌爲镧及其氧化(huà)物，如Sr1-xLaxSnO3系、La2O3-TiO2系、La2O3-TiO2-V2O5系、Sr0.95La0.05SnO3及(jí)Pd0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)0.98O3-KH2PO3等。爲了進一步(bu)提高濕度陶瓷(cí)的靈敏度，在現(xian)性和穩定性，以(yi)增強其實🧑🏾🤝🧑🏼用性(xìng)，還需加強稀土(tǔ)摻🐅加對陶🛀瓷相(xiang)關性能影響方(fāng)面的研究。
三、市(shì)場前景
随着材(cai)料科學的發展(zhǎn)，近年來功能複(fu)合陶瓷備受關(guan)注💋，稀土🔴摻雜在(zài)功能複合陶瓷(ci)的開發研究方(fang)面也取得了較(jiào)大進展。浙江大(dà)學陳昂等，采用(yong)常規功能陶瓷(ci)☀️的制備方法，将(jiang)🐆稀土超導陶瓷(ci)YBa2Cu3O7-x和鐵電陶瓷BaTiO3複(fú)合，獲得了鐵電(dian)性🌏與超導性共(gòng)存的YBa2Cu3O7-x- BaTiO3系👉複合功(gōng)能💰陶瓷，其電導(dǎo)特性符合三維(wéi)導電行爲，并當(dang)YBa2Cu3O7-x含量較高時呈(cheng)超導性🈚。華中理(lǐ)工大學周東祥(xiáng)等的研究指出(chu)，LaCoO3-SrCoO3系和LaCrO3- SrCrO3系🐕複合功(gōng)能陶瓷，可用作(zuò)磁流體電機的(de)電極材料和氣(qì)敏材料；而在NTC熱(rè)敏複合材料NiMn2O4-LaCrO3陶(tao)瓷中，新化合物(wu)LaMnO3導✨電相決定着(zhe)陶瓷的主要性(xìng)質。西安交通💃🏻大(dà)學的鄒秦等通(tōng)過用稀土離子(zǐ)Y3+、La3+對（Sr,Ca）TiO3摻雜，省去了(le)原🔴有的用堿金(jin)⛹🏻♀️屬離子（Nb5+、Ta5+）塗覆并(bìng)進行熱擴散的(de)工藝，而且制☂️得(de)的陶瓷材料緻(zhì)密度高、工藝性(xing)能良好，并保持(chi)了電阻🙇🏻率低（ρ爲(wei)10-2Ω·cm量級）、非線性高(gao)（非線性系數α﹥10）的(de)介電-壓敏複合(hé)功能特性。
近年的(de)研究還表明，稀(xī)土在生物陶瓷(ci)、抗菌陶瓷等新(xin)型陶🈲瓷材料中(zhong)也有着獨特的(de)作用。由于稀土(tu)元素可與銀、鋅(xin)、銅等過渡元素(sù)協同增效，開發(fā)的稀土複合磷(lín)酸鹽抗菌可使(shi)陶瓷表🧡面産生(sheng)🔞大量的羟基‼️自(zì)由基，從而增強(qiáng)了陶瓷的抗菌(jun1)性能。
我國是一(yi)個衆所周知的(de)稀土資源大國(guó)，應進一步加強(qiáng)稀⭕土摻雜對功(gong)能陶瓷性能影(ying)響的研究和新(xin)型功能陶瓷的(de)開發力度☎️，以充(chong)分發揮我國的(de)稀土資源優勢(shì)，有效提升稀土(tǔ)在高科技材料(liào)中的應用價值(zhí)。
