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稀土元素与陶瓷间相互关系


发布时间:

2018-04-21

由于稀土元素具有4fx5d16s2电子层结构,电价高,半径大,极化力强,化学性质活泼及能水解等性质,故其应用十分广泛,尤其在特种陶瓷及功能材料方面具有广阔发展前景.Si3N4陶瓷  Si3N4陶瓷硬度高,强度大,热膨胀系数小,具有较高抗蠕变性能及抗氧化,抗腐蚀性能,是一种非常好高温结构材料.作为Si3N4陶瓷,由于Si-N键属共价键,致使在无液相存在下烧结非常困难,须加入添加剂.较为理想添加剂为稀

  由于稀土元素具有4fx5d16s2电子层结构,电价高,半径大,极化力强,化学性质活泼及能水解等性质,故其应用十分广泛,尤其在特种陶瓷及功能材料方面具有广阔发展前景.Si3N4陶瓷  Si3N4陶瓷硬度高,强度大,热膨胀系数小,具有较高抗蠕变性能及抗氧化,抗腐蚀性能,是一种非常好高温结构材料.作为Si3N4陶瓷,由于Si-N键属共价键,致使在无液相存在下烧结非常困难,须加入添加剂.较为理想添加剂为稀土氧化物Y2O3,CeO2,La2O3,不仅可使Si3N4陶瓷在烧结时产生液相,促进烧结,同时又可大大提高Si3N4陶瓷高温力学性能.研究表明,添加La2O3和Y2O3氮化硅陶瓷,其抗弯强度在1370℃高温下保持不变,达1000MPa以上.添加Al2O3和La2O3烧结助剂Si3N4陶瓷形成具有高耐火度和粘度Y-Ls-Si-O-N玻璃晶界,因此具有较高高温抗弯强度和较好抗氧化性能,并且在高温条件下易析出较高熔点结晶化合物,于是减少了材料非晶态玻璃相含量,提高了材料高温断裂韧性.Al2O3陶瓷
  Al2O3陶瓷具有较高硬度和机械强度,膨胀系数与金属差不多,同时具有良好化学稳定性.对Al2O3陶瓷来讲,为提高其高温热稳定性,可添加稀土元素.研究表明:之所以能提高Al2O3陶瓷高温热稳定性,主要原因是形成了稀土铝酸盐,如添加La2O3可形成起到稳定作用LaAl11O18.为降低Al2O3陶瓷烧成温度,改进产品性能,在其加入不同数量稀土外加剂,可大大降低烧成温度.SiC陶瓷  SiC是共价键性极强化合物,在高温状态下仍能保持高键合强度,且热膨胀系数小,耐腐蚀性优良,具有较高热传导性,故是高温结构材料最有希望材料之一.SiC中添加Al2O3和Y2O3为烧结助剂可大大降低SiC陶瓷烧结温度,Al2O3和Y2O3在烧结温度下形成液相,从而以液相烧结机理加速材料致密化.有研究用无压烧结β制得含板状晶料液相烧结SiC陶瓷,其断裂韧性达7MPa·m1/2,添加稀土氧化物可使其抗氧化性能得到明显改善,且随稀土加入量增加,氧化速度逐渐降低,加入量为3%时效果最佳.Y2O3陶瓷  Y2O3陶瓷是一种高性能透明陶瓷,它是以高纯氧化钇为原料并添加8mol%~10mol%ThO2在氢气中于2000℃以上高温烧成透明多晶体,也可在添加LiF和ThO2后于1300~1500℃和35~50MPa压力下真空热压烧结.由于其熔点大于2400℃,介电常数为12~14,透明性好,即使在远红外区仍有约80%直线透过率,是优良高温红外材料和电子材料.AIN陶瓷  AIN陶瓷导热性好,耐高温,耐腐蚀,具有较好电绝缘性能,但因属共价键,故烧结困难.在制备AIN陶瓷时加入稀土氧化物Y2O3,La2O3等作为添加剂,与AIN颗粒表面Al2O3反应,生成低熔点液相,使整个烧结在有液相参与下进行,最终达到致密化.这样制得AIN陶瓷可作熔炼纯铁,铝等优良坩锅材料及其高温结构材料.ZrO2陶瓷  ZrO2陶瓷具有较高熔点,是理想高温结构材料,但由于其在1100℃左右存在单斜与四方晶型转变,并伴有较大体积变化,故在制造时须加入稳定剂,稀土氧化物CeO2和ThO2为常用稳定剂.就Y2O3来说,由于Y3+离子大小与Z4+离子接近,可固溶形成稳定立方晶相,故稀土加入ZrO2后可使ZrO2陶瓷抗热震性能得到较大提高.当Y2O3含量<2mol%时,ZrO2以单斜相存在;当Y2O3含量>8mol%时,ZrO2以立方相存在;而当Y2O3含量在2mol%~8mol%时,ZrO2则以两相或三相共存.当Y2O3含量在3mol%左右时,由陶瓷中ZrO2晶粒间相互抑制,可通过控制适当晶粒尺寸制备全部由四方ZrO2组成氧化钇稳定四方氧化锆,它具有很高断裂韧性和抗弯强度,在高温结构陶瓷材料中应用广泛.氧化锆不仅为优良结构陶瓷材料,而且也具有优良高温电导性能,因而是一种用途很广固体电解质材料.高温燃料电池一般也都采用Y2O3稳定ZrO2为固体电解质,其工作温度可达800~1000℃.
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