稀土在敏感陶瓷中的应用

　　敏感陶瓷是功能陶瓷中的重要一种，其特征是对某些外界条件如电压、气体成分、温度、湿度等反应敏感，故可通过其相关电性能参数的反应或变化来实现对电路、操作过程或环境的监控，广泛用于控制电路的传感元件，因此又被称为传感器陶瓷。稀土与这类陶瓷的性能之间存在着密切关系。
 
（1）电光陶瓷
 
　　在PZT中添加稀土氧化物La2O3，即可获得透明的锆钛酸铅镧（PLZT）电光陶瓷。原母体材料PZT因存在孔隙、晶界相和各向异性，一般不透明，而La2O3的加入使其微观结构趋于均匀一致，在很大程度上消除了孔隙，减弱了其各向异性，显著减少了晶界上多次折射所引起的光散射和第二相所引起的光散射，故PLZT具有良好的透光性能。PLZT电光陶瓷存在着一次电光效应（波克尔效应）、二次电光效应（克尔效应）以及光散射效应和光学记忆效应，其中克尔效应的应用最为普遍，如屏蔽核爆炸辐射的护目镜、重型轰炸机的窗口、光通信调制器、全息记录装置等。由于PLZT电光陶瓷具备利用电场改变其光学性质的特点，它的出现标志着陶瓷材料真正进入功能光学领域。
 
（2）压敏陶瓷
 
　　中南工业大学研究了稀土元素对ZnO压敏陶瓷电性能的影响，用稀土氧化物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%增加到10%时，陶瓷的非线性系数α值从20下降为1，基本无压敏性质。故对于ZnO陶瓷，低浓度稀土元素掺杂时可提高其压敏电压值，但对非线性系数影响不大；而高浓度掺杂时陶瓷则不呈现压敏特征。
 
（3）气敏陶瓷
 
　　从20世纪70年代开始，人们就在将稀土氧化物掺加到ZnO、SnO2及Fe2O3等气敏陶瓷材料中的作用方面作了许多研究，并制得了ABO3型和A2BO4型稀土复合氧化物材料。有研究结果显示，在ZnO中加入稀土氧化物，可明显提高其对丙烯的灵敏度；在SnO2中掺加CeO2，可得到对乙醇敏感的烧结型元件。
 
　　大连理工大学对在Fe2O3中掺加稀土氧化物RE2O3（RE=Nd、Sm、La）而获得的REFeO3系列材料的性能进行了研究，指出材料的超微粒化是提高气敏元件灵敏度的重要因素，且稀土元素不同，对材料微观形貌的影响也有所不同，其中NdFeO3和SmFeO3的粒度较小，LaFeO3的粒度稍大。将所测REFeO3系列气敏元件在0.13%浓度的不同气氛中进行分析，发现REFeO3系列材料对乙醇均有较高的灵敏度，且其灵敏度高低顺序依次为NdFeO3﹥SmFeO3﹥LaFeO3，同时对汽油的灵敏度较低，对其它气体几乎不反应，因此具有较强的选择性。
 
（4）热敏陶瓷
 
　　钛酸钡（BaTiO3）是目前研究最多且应用最广的热敏陶瓷。当在BaTiO3中掺加微量稀土元素如La、Ce、Sm、Dy、Y等时（摩尔原子分数控制为0.2%～0.3%），由于用与Ba2+半径相近的RE3+取代了部分Ba2+，产生了多余的正电荷，并通过Ti4+的作用形成了弱束缚电子，故使陶瓷的电阻率显著降低；但若掺杂量超过一定值（如掺杂La的摩尔分数﹥0.35%），由于Ba2+空位的形成和导电载流子的消失，陶瓷的电阻率反而急剧上升，甚至成为绝缘体。
 
（5）湿敏陶瓷
 
　　在种类繁多的湿敏陶瓷中，目前稀土的掺加主要为镧及其氧化物，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。为了进一步提高湿度陶瓷的灵敏度，在现性和稳定性，以增强其实用性，还需加强稀土掺加对陶瓷相关性能影响方面的研究。