稀土功能陶瓷和高温结构陶瓷

　　稀土陶瓷材料中稀土元素是以掺杂的形式出现的，微量的稀土掺杂可以极大地改变陶瓷材料的烧结性能、微观结构、致密度、相组成及物理和机械性能。

　　稀土功能陶瓷包括绝缘材料(电、热)、电容器介电材料、铁电和压电材料、半导体材料、超导材料、电光陶瓷材料、热电陶瓷材料、化学吸附材料等，还有固体电解质材料。在传统的压电陶瓷材料如PbTiO₃、PbZr_xTi_1-xO₃(PZT)中掺杂微量稀土氧化物如Y₂O₃、La₂O₃、Sm₂O₃、CeO₂、Nd₂O₃等可以大大改善这些材料的介电性和压电性，使它们更适应实际需要，现在PZT压电陶瓷已广泛地用于电声、水声、超声器件、信号处理、红外技术、引燃引爆、微型马达等方面。由压电陶瓷制成的传感器已成功用于汽车空气囊保护系统。掺杂了La或Nd的BaTiO₃电容器介电材料可使介电常数保持稳定，在较宽温度范围内不受影响，并提高了使用寿命。在移动电话和计算机中使用了大量的多层陶瓷电容器，稀土元素如La、Ce、Nd在其中发挥着重要作用。对稀土半导体陶瓷的研究十分活跃，这种材料主要有BaTiO₃基掺杂稀土和SrTiO3基掺杂稀土，其室温电阻率为10-2—103Ω·cm，当温度上升到居里温度Tc附近时，电阻率急剧上升，这种现象被称为PTC效应，稀土掺杂在这种效应中发挥着关键作用，PTC热敏半导材料可用作过电过热保护元件、温度补偿器、温度传感器、延时元件、消磁元件等。

　　稀土高温超导材料也是国际上的热门研究课题。由于稀土氧化物La-Ba-Cu-O系超导体的发现及其以后的研究，超导材料的居里温度Tc有了很大提高。我国在高温超导研究方面处于国际领先地位，Y-Ba-Cu-O体系的制备技术、应用技术及应用基础研究取得了不同程度的进展，RE-Ba-Cu-O超导体的Tc为80～90K，此外我国还合成了碱金属系稀土掺杂超导体如(Sr，Nd)CuO₂和Sr1-xYxCuO2。研究发现，用其它稀土离子如Ho取代Y制成的YBCO陶瓷样品，其临界电流密度Jc有不同程度的提高(Y_1-xHo_xBa₂Cu₂O₇-(HBCO))。超导材料应用广泛，可用作超导电磁体用于磁悬浮列车，可用于发电机、发动机、动力传输、微波等方面。此外，最近日本又开发了一种氧化物热电材料用于半导体二极管，P型半导体为Na：Co氧化物，n型为Nd-Cu氧化物(掺杂Zr)，用这种二极管制成的设备可将热能转化为电能，当p-n两端温差为200℃时可产生280mV的电压，这种设备的潜在用途是利用工业生产、垃圾焚烧过程中产生的热量发电，适用温度为400～800℃。还有一种对湿度敏感的材料如掺杂La³⁺的BaTiO₃材料，通过对其电导率的测量确定环境湿度，因而可用作湿度传感器。更重要的还有掺杂稀土的ZrO2固体电解质材料，稀土在其中起到了稳定剂的作用，由Y₂O₃稳定的ZrO₂材料具有结构致密、电阻小、抗热震性好等优点，可用于氧传感器和高温燃料电池。最近日本又开发了一种新的La-Ga氧化物固体电解质材料，其工作温度为600℃，功率为0.4W／m²，完全可以满足实际应用，而Y2O3稳定的ZrO₂在1000℃时仅可产生0.2W／m²的功率，这是由于La-Ga氧化物固体电解质中含La，电解质可以允许更多的氧离子流动。

　　稀土高温结构陶瓷，主要指掺杂稀土的Si_3N4、SiC、ZrO₂等耐高温、高强度、高韧性陶瓷，是工程陶瓷。掺杂稀土(La、Y)的Si₃N₄陶瓷及其复合材料可用于高温燃气轮机、陶瓷发动机、高温轴承等高技术领域，其工作温度最高可达1650℃，稀土在其中起到助熔剂和改善晶界的作用。最近日本又开发出一种新的氮化硅陶瓷，1500℃时它的强度为484MPa。氮化硅陶瓷轴承可用于一些特殊环境如有电磁场的环境，其温度适应范围为-40℃～+200℃，并可在无法润滑的环境中使用。而掺杂稀土的ZrO2增韧陶瓷可用作耐磨材料如内燃机零部件、刀片、模具镶嵌件、计算机驱动元件、密封件与陶瓷轴承等。在这种材料中，Y₂O₃或CeO₂作为稳定剂防止ZrO₂在冷却过程中由于晶型转变、体积膨胀而造成的陶瓷龟裂。由于氧化纪增韧氧化锆十分耐磨，还可用作细磨研磨介质。