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稀土陶瓷

【摘要】:
陶瓷是我国历史悠久科技文化产品之一,在国际上"瓷器","China(中国)"成为同义词.稀土在陶瓷材料中应用,以其在陶瓷色料中应用最早(仰韶文化时期发展了彩陶).1.纳米陶瓷  纳米陶瓷虽然还有许多关键技术需要解决,但是在显微结构中,晶粒,晶界及其结合都处于纳米级水平,晶粒细化,晶界数量大幅度增加,使其室温和高温力学性能,抗弯强度,断裂韧性等大幅度提高,在切削刀具,轴承,汽车发动机部件等方面都有广

 陶瓷是我国历史悠久科技文化产品之一,在国际上"瓷器","China(中国)"成为同义词.稀土在陶瓷材料中应用,以其在陶瓷色料中应用最早(仰韶文化时期发展了彩陶).

1.纳米陶瓷
  纳米陶瓷虽然还有许多关键技术需要解决,但是在显微结构中,晶粒,晶界及其结合都处于纳米级水平,晶粒细化,晶界数量大幅度增加,使其室温和高温力学性能,抗弯强度,断裂韧性等大幅度提高,在切削刀具,轴承,汽车发动机部件等方面都有广泛用途;并在超高温,强腐蚀等苛刻环境下起着其他材料不可替代作用;还对陶瓷电学,热学,磁学,光学性能产生重要影响,为陶瓷利用开拓了一个崭新领域. 
2.超塑性陶瓷
  上海硅酸盐研究所对细晶Y-TZP陶瓷超塑性研究表明,当晶粒尺寸为300nm,温度在1400℃下,起始应变速率为1×10-2·S-1,压缩应变达350%;当晶粒尺寸减小到150nm,温度在1250℃下,起始应变速率为3×10-2·S-1,压缩应变达380%.使陶瓷如同金属一样,可用锻压,挤压,拉伸,弯曲和气压膨胀等成型方法直接制成精密尺寸陶瓷零件.超塑性陶瓷可分为相变超塑性陶瓷与结构超塑性陶瓷.
3.智能化陶瓷
  陶瓷较易实现智能化,在提出智能材料概念以前,部分陶瓷已趋智能化,如多功能陶瓷,既能传感磁性,温度和气体,又象介电元件那样具有执行功能;陶瓷已能像生命物质如人五官那样,感知客观世界,又能对外作功,发射声波,辐射电磁波或热能,促进化学反应和改变颜色等对外作出类似有生命物质智慧反应.在提出智能材料之后,随即采用集成法,把陶瓷感知讯号,通过电学处理,反馈给陶瓷器件,再利用陶瓷固有特殊功能对外作出反应.在已发展传感器和驱动器中,陶瓷材料占有很大一部分:如压电,电声,光电,热电,磁热,电致或磁致伸缩,相变,生物,热电陶瓷等.
4.超硬陶瓷
  陶瓷有日用陶瓷,建筑陶瓷,装饰陶瓷和结构陶瓷等,按结构陶瓷性能可分为超硬,高强,高温陶瓷.
  陶瓷具有比一般材料高得多硬度,超硬陶瓷是指金刚石和氮化硼,或两者复合体,此外,烧结碳化物金属陶瓷如WC,TiC等作为超硬工具材料得到广泛应用.超硬陶瓷可以切削和研磨石材,玻璃,混凝土,各种晶型和新型结构材料(高硬金属,高硬陶瓷Si3N4,SiC等),也可用于地质钻探,精密切削(铅,铜,不锈钢,碳纤维和硼纤维复合材料等).还可作圆珠笔尖,高尔夫球靴钉子,手表外壳,小孔径拨丝模等.
5.高强陶瓷
陶瓷高强力学性能比金属好,但因陶瓷成份,工艺和显微结构复杂性和不均匀性影响,易产生脆性断裂.近年来广泛开展加稀土高强,高韧陶瓷研究和应用.典型高强陶瓷为:Si3N4,SiC,部分稳定ZrO2,多以军事和宇航应用为主.
6.高温陶瓷
  高温陶瓷具有下列特征:(1)在现有金属所不能承受高温和苛刻环境条件下具有较高强度;(2)高温下韧性不降低;(3)抗蠕变性高;(4)抗蚀性优异;(5)抗热冲击能力高;(6)耐磨损性好等.高温陶瓷应用于火箭,导弹,喷气发动机喷喉,壳件,端头帽,回收型人造卫星前缘,航空飞机外壳蒙皮,耐热瓦,汽轮机叶片,飞机高温轴承,熔炼金属坩埚,阀泵,输管,高温电极,高温发热元件,发电和能源,热电偶保护管,模具等.高温陶瓷按组成分两大类:(1)氧化物系:如Al2O3,MgO,BeO,ZnO等;(2)非氧化物系:如Si3N4,SiC,BN,AlN等.稀土在以上材料中为添加剂.
7.电子陶瓷
  陶瓷早已进入了现代电子工业许多领域:(1)压电铁电陶瓷用于力,声,位置速度传感器,红外传感器,电光敏感元件,各种压电振子和换能器;(2)微波介质陶瓷(微波通讯和卫星通讯),电容器陶瓷;(3)快离子导体(固体电解质):氧化锆氧传感器,LaF3气敏传感器,用于能量存储和转换;(4)热学性质应用:包括具有各种热学特性绝缘陶瓷,对温度敏感电阻陶瓷,热膨胀系数与金属相接近镁橄榄石型陶瓷,磁流体发电机用电极材料,热发电元件和电子致冷元件用陶瓷,光电陶瓷和电光陶瓷(PLZT)等.
8.超导陶瓷
  超导性材料探索,以往主要是在金属王国中进行,由金属,合金而逐步发展到中间型金属化合物(碳化物,氮化物)和金属互换物,最高Tc=23.2K值,在金属中还有NbTi,Nb3Sn,V3Si等,探索者目光已转向氧化物,硫化物等无机化合物和有机物;现在一些有机物Tc值也很低.从1973年到1985年12年中,超导临界温度Tc没有提高1K.随后在短短1年多时间内相继发现4个高温超导体系,共几十种不同超导相,Tc从30K提高到290K.这些高温超导体均系钙钛矿结构演变而来,根据其中铜不同配位数将超导分为三类:(1)La2-xMxCuO4(镧系高温超导陶瓷),M=B,Sr或Ca;(2)YBa2Cu3O5(123相,钇系高温超导陶瓷),包括三价元素La,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu完全地,部分地甚至混合地替代Y所形成化合物;(3)Ba,La互代固溶体化合物La1-xYxBaCu2Oy等.
9.半导体陶瓷
  半导体陶瓷具有独特电学性能,同时还具有优良机械性能,热性能和良好化学稳定性.Y,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Tb,Dy,Ho或Er等稀土元素均可使BaTiO3陶瓷半导体化.
10.光学陶瓷
  光子传播速度比电子速度快得多,光在未来技术中作用将日益重要.光学陶瓷有:(1)透明陶瓷;(2)红外光学陶瓷;(3)光色陶瓷;(4)荧光玻璃陶瓷,是玻璃和微晶复合体,同时具有玻璃,晶体和陶瓷优点,是一种很好发光基质材料,它具有量子效率高,吸收和发射范围宽,荧光寿命长,易成型,成本低,化学性能稳定,使用温度范围大,机械性能和热学性能好等特点,可望在激光,太阳能利用,光掩膜,电子,显示,装饰等领域得到广泛应用;(5)发光陶瓷,以异丙醇铝为原料,采用溶胶-凝胶法合成了Al2O3∶Eu3+,Tb3+发光陶瓷粉末和发光陶瓷;采用溶胶-凝胶法合成Al2O3-SiO2∶Ln3+发光陶瓷;采用电弧法制备SrAl2O4∶Eu2+长余辉发光陶瓷等;(6)光色陶瓷,在光照射时改变颜色,停止照射后可逆地恢复原色,PLZT透明陶瓷受光照射时呈现出自身改变颜色;(7)稀土陶瓷颜色釉,利用稀土作为着色剂或助色剂来制造各种陶瓷颜料和色釉.
11.铁电陶瓷和反铁电陶瓷
  镧和铋掺杂PBSZT弛豫铁电陶瓷压电常数d31可由外加直流偏压控制.在一定电场诱导下,La掺杂Pb(Zr,Sn,Ti)O3反铁电陶瓷具有热释电效应,通过控制偏置电场大小实现热释电电流可开关,可调控,可用在热释电探测器;其电滞回线细而窄,强迫相变在一个比较宽场强范围内逐渐完成,产生电致应变小,介电损耗低,适合制作高压,高储能密度,长工作寿命储能电容器.
12.稀土在陶瓷中其他应用
  磁性陶瓷(分为多晶磁性陶瓷和非晶态磁性陶瓷),生物陶瓷,敏感陶瓷,高导热陶瓷,涂层陶瓷,多孔陶瓷,陶瓷基复合材料(无机,有机,纳米金属)等.
  近几年来,玻璃陶瓷行业稀土消费量随着我国电子行业电视机玻壳,建材行业等发展而增加.我国稀土光学玻璃生产能力已达3000吨/年,产品质量与日本产品相当,而成本仅为日本1/3,约有1/10产品出口美国,日本和韩国.目前我国已有稀土抛光粉厂几十家,生产规模上百吨有10余家.我国稀土在玻璃陶瓷行业稀土消费量逐年递增.
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