一、稀(xi)土與功(gong)能陶瓷(cí)
稀土，是(shì)包括15個(ge)镧系元(yuan)素和钪(kang)、钇共17個(ge)金屬元(yuán)素的總(zǒng)稱。稀土(tu)元⭐素自(zì)18世紀末(mò)相繼被(bei)人們發(fā)現以來(lái)，已在冶(ye)金、陶瓷(cí)、玻璃、石(shi)🛀化、印染(rǎn)、農林等(děng)行業得(dé)到廣泛(fàn)應用。随(sui)着科學(xue)🎯技術的(de)進步，稀(xi)土的應(ying)用範圍(wéi)不斷擴(kuo)大。特别(bie)是近20餘(yu)年來，稀(xi)土在高(gao)新技術(shu)領域的(de)應⛷️用得(de)到了迅(xùn)❄️猛發展(zhǎn)。稀土📞在(zài)功能陶(táo)瓷中的(de)應用，就(jiù)🤞是其中(zhong)的一個(gè)重要方(fāng)面。
功能(neng)陶瓷，是(shì)20世紀特(tè)别是第(dì)二次世(shì)界大戰(zhan)以後随(suí)♈着☀️電子(zǐ)信息、自(zi)動控制(zhì)、傳感技(jì)術、生物(wu)工程、環(huan)境科☀️學(xue)等領域(yù)🤟的發展(zhǎn)而開發(fa)形成的(de)新型陶(tao)瓷材料(liao)，它可利(li)用電、磁(ci)、聲、光、熱(rè)、力等直(zhi)接效應(yīng)及耦合(he)效應所(suo)提供的(de)一🐉種或(huò)多種性(xing)質來實(shí)現某種(zhǒng)使用功(gong)能。因功(gong)能陶瓷(ci)的品種(zhong)類型繁(fán)多，性能(neng)特點豐(fēng)富且适(shi)用面廣(guang)，現已在(zài)電器裝(zhuāng)置、信号(hào)處理、傳(chuán)感計測(ce)、半導體(ti)元件、超(chao)導😍材料(liao)等方面(mian)得到廣(guang)泛應用(yòng)，倍受相(xiàng)關材料(liao)研究人(rén)員和生(shēng)産者們(men)的普遍(bian)關注📧。
稀(xi)土與功(gōng)能陶瓷(ci)有着密(mì)切的關(guan)系。衆所(suǒ)周知的(de)超導😍陶(táo)瓷中大(dà)部分都(dōu)含有稀(xī)土，如钇(yǐ)鋇銅氧(yǎng)（YBCO）就是一(yī)種具有(you)優良高(gao)溫超導(dao)性‼️的氧(yang)化物陶(táo)瓷，它可(ke)将所需(xū)的環境(jing)工作溫(wēn)度由低(dī)溫超導(dǎo)材料的(de)液氦區(qu)（Tc=4.2K）提高到(dào)液氮區(qū)（Tc=77K）以上，極(ji)大地提(ti)升了超(chao)導材料(liào)的實用(yòng)價值。同(tóng)時，在許(xǔ)多功能(néng)陶瓷的(de)原料中(zhong)🎯摻加一(yī)定的稀(xī)土元素(su)，不但可(kě)改善陶(táo)瓷的燒(shāo)結性、緻(zhì)密度、強(qiang)度等，更(geng)重要的(de)是可使(shi)其特有(yǒu)的功能(néng)效應得(dé)到顯著(zhe)提高。
二(èr)、稀土在(zai)功能陶(táo)瓷中的(de)應用
1．在(zài)超導陶(táo)瓷中的(de)應用
自(zi)1987年中、日(rì)、美等國(guo)材料科(kē)學家發(fa)現氧化(huà)物陶瓷(cí)钇鋇銅(tóng)氧（YBCO）具有(yǒu)🔞優良的(de)高溫超(chāo)導性（Tc高(gao)達92K）以來(lai)，人們在(zai)稀土高(gāo)溫超導(dǎo)陶瓷的(de)性能研(yan)究及應(ying)用開發(fa)方面做(zuo)了大🏃♀️量(liang)工作，并(bing)取得了(le)許多重(zhòng)大進展(zhan)，日本已(yǐ)有研究(jiu)表明🐇，用(yong)Nd、Sm、Eu、Gd等輕稀(xi)❤️土（Ln）取代(dai)YBCO中的Y後(hou)，所得超(chāo)導陶瓷(ci)材料LnBCO的(de)臨界🐆磁(cí)場強度(du)顯著提(tí)高，磁通(tōng)釘紮力(lì)也大爲(wèi)增強，在(zài)電力‼️、儲(chu)能和運(yun)輸等方(fāng)面極具(ju)實用價(jià)值。如經(jing)一定生(sheng)産工藝(yi)所制得(de)的LnBCO塊材(cai)，能在77K捕(bu)集大于(yu)🏃10T的✌️磁場(chang)，可代替(ti)Nd-Ti用作磁(ci)懸浮列(liè)車的磁(ci)體。
北京(jing)大學以(yi)ZrO2爲襯底(dǐ)并加熱(re)至約200℃，分(fèn)别将Y（或(huo)其它稀(xī)土）、Ba的氧(yang)化物和(he)Cu分層蒸(zhēng)發在襯(chèn)底上進(jin)行擴散(san)處理，并(bing)于800～900℃溫度(dù)區間熱(rè)處理，所(suo)🌈制得的(de)超導陶(táo)瓷在100K以(yi)上表現(xiàn)出具有(yǒu)良好的(de)金屬性(xing)電🏃阻溫(wēn)度系數(shu)。日本鹿(lù)兒島大(da)學将稀(xi)土La摻👈加(jia)到Sr、Nb氧化(huà)物中所(suǒ)制成的(de)陶瓷薄(báo)膜，在255K即(ji)發生超(chao)導現象(xiang)。
2. 在壓電(diàn)陶瓷中(zhong)的應用(yòng)
在(zai)具有高(gao)壓電系(xi)數的锆(gào)钛酸鉛(qian)（PZT）壓電陶(tao)瓷中，通(tōng)過添加(jiā)La2O3、Sm2O3、Nd2O3等稀💛土(tǔ)氧化物(wu)，可明顯(xian)改善PZT陶(táo)瓷的燒(shāo)結性能(néng)并利于(yú)獲得穩(wěn)定的電(diàn)學性能(neng)和壓電(diàn)性能，這(zhè)是因💰爲(wèi)用三價(jia)的La3+、Sm3+、Nd3+等稀(xī)土離子(zi)取代了(le)PZT中A位的(de)Pb2+後，使PZT陶(tao)瓷的電(diàn)物理特(te)性發生(sheng)了一系(xì)列變化(huà)。此外，還(hái)可通過(guo)添加少(shao)量稀土(tǔ)氧化物(wu)CeO2來改善(shàn)PZT陶瓷的(de)🌈性能，且(qie)CeO2的添加(jia)量以0.2%～0.5%爲(wei)宜。摻加(jiā)CeO2後PZT陶瓷(cí)的體🔆積(jī)電阻率(lü)升高，利(li)于🔅工藝(yi)上實現(xian)高溫💯和(hé)高電場(chang)下極化(hua)，其抗時(shi)間老化(hua)和抗溫(wen)度老化(hua)等性❓能(neng)也均得(de)到改善(shan)。經稀土(tu)改性的(de)PZT陶瓷，現(xiàn)已在高(gāo)壓發生(sheng)器、超聲(shēng)發生器(qi)、水聲換(huàn)能器等(děng)裝置中(zhong)得到廣(guang)泛應用(yòng)。
3．在導電(diàn)陶瓷中(zhōng)的應用(yòng)
以稀土(tǔ)氧化物(wu)Y2O3作添加(jia)劑的钇(yi)穩定化(hua)氧化锆(gào)(YSZ)陶瓷，高(gāo)溫下具(ju)有良好(hǎo)的熱穩(wěn)定性和(hé)化學穩(wen)定性，是(shì)較好的(de)氧離子(zǐ)導體，在(zài)🔴離子✍️導(dǎo)電陶瓷(cí)中具有(you)突出地(dì)位。YSZ陶瓷(cí)傳感器(qi)，已成功(gong)用于測(ce)量汽車(che)尾氣中(zhong)的氧分(fèn)壓，有效(xiao)控制空(kong)氣🏒/燃料(liào)比，節能(neng)效果顯(xian)著，在工(gōng)業鍋爐(lu)、熔煉爐(lu)、焚化爐(lú)等以燃(rán)燒爲主(zhu)的設備(bèi)中得到(dao)☂️了廣泛(fàn)應用。YSZ陶(tao)瓷還可(kě)用作高(gao)溫固體(tǐ)氧化物(wù)燃料🐅電(diàn)池(SOFC)中的(de)電解質(zhì)🈲材料，使(shǐ)用較多(duō)的爲Zr0.9Y0.1O1.95。因(yīn)SOFC采用固(gù)體電解(jiě)質，故不(bu)存在其(qí)他燃料(liào)電池所(suǒ)涉及的(de)電解質(zhi)處理問(wèn)題，并且(qie)轉換效(xiao)率接近(jin)🌈60%。此外，摻(chan)加有稀(xi)土的LaCr0.9Mg0.1O3、La0.85Sr0.15MnO3陶(tao)瓷及Ni-Zr(Y)O2-X金(jin)屬陶瓷(ci)薄層，還(hái)💞可分别(bie)用作SOFC電(dian)池中的(de)雙極性(xing)極闆、多(duō)孔陰極(jí)和多孔(kong)陽極材(cái)料。
然而(ér)，YSZ陶瓷隻(zhi)有在高(gāo)于900℃時才(cai)表現出(chū)較高的(de)離子導(dǎo)⛹🏻♀️電率，故(gù)其應用(yòng)仍受到(dao)一定限(xiàn)制。現有(yǒu)研究發(fā)現，在具(jù)有更高(gao)離子導(dǎo)電率的(de)👄Bi2O3陶瓷中(zhōng)，摻加适(shì)量的Y2O3或(huo)Gd2O3，可使Bi2O3面(miàn)心立方(fāng)相穩定(dìng)到室溫(wēn)，同時X射(she)線🥰衍射(she)圖譜也(yě)已表明(ming)，(Bi2O3)0.75·(Y2O3)0.25和(Bi2O3)0.65·(Gd2O3)0.35均爲(wei)穩定的(de)面心立(lì)方結構(gou)的高氧(yǎng)離子導(dao)電相。在(zài)這種陶(tao)瓷的側(ce)面再鍍(dù)上(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的保(bao)護膜後(hòu)，即⭕可制(zhì)備組裝(zhuang)成離子(zi)導電性(xìng)高、穩定(dìng)性好且(qiě)能在中(zhong)溫條件(jiàn)下🔞（500 ~800℃）工作(zuò)的燃料(liao)電♊池和(he)氧傳感(gan)器，利于(yu)解決高(gao)溫技術(shù)所帶來(lái)的困難(nan)。
4．在介電(diàn)陶瓷中(zhong)的應用(yong)
介電陶(táo)瓷主要(yào)用于制(zhi)作陶瓷(cí)電容器(qì)和微波(bō)介質元(yuan)件。在TiO2、MgTiO3、BaTiO3等(děng)介電陶(tao)瓷及其(qi)複合介(jiè)電陶瓷(cí)中，添加(jiā)La、Nd、Dy等稀土(tǔ)能顯著(zhe)改善其(qí)介電性(xing)能。
（1）電(dian)光陶瓷(ci)
在PZT中添(tian)加稀土(tu)氧化物(wu)La2O3，即可獲(huo)得透明(ming)的锆钛(tai)酸鉛镧(lan)（PLZT）電光陶(táo)瓷。原母(mu)體材料(liào)PZT因存在(zai)孔隙、晶(jing)界相和(he)各向異(yi)性，一般(bān)不透明(ming)，而La2O3的加(jiā)入使其(qi)微觀結(jie)構趨于(yu)均勻一(yī)緻，在很(hen)大程度(dù)上消除(chu)了孔隙(xì)，減弱了(le)其各向(xiang)異性，顯(xiǎn)著減少(shao)了晶界(jie)上多次(cì)折射所(suǒ)引起的(de)光🌈散射(shè)和第二(èr)相所引(yin)起的光(guāng)散射，故(gù)PLZT具💞有良(liáng)好的透(tòu)光性能(néng)。PLZT電光陶(tao)瓷存在(zai)着一次(ci)電光效(xiào)應（波克(kè)爾效應(ying)）、二次電(diàn)光效應(yīng)👌（克爾效(xiao)應）以及(ji)光🌈散射(she)效應和(hé)光學記(jì)憶效應(yīng)，其中克(ke)爾效應(ying)的應用(yong)最爲普(pǔ)遍，如屏(ping)蔽核爆(bào)炸輻射(shè)的護目(mu)🌈鏡、重型(xíng)轟炸機(ji)的窗口(kǒu)、光通信(xin)調制器(qi)、全息記(jì)錄裝置(zhì)✂️等。由于(yú)PLZT電光陶(táo)瓷具備(bèi)利用電(dian)場改變(biàn)其光學(xue)性質的(de)特點，它(tā)的出現(xian)标志着(zhe)陶瓷🔱材(cai)料真正(zhèng)進入功(gōng)能光學(xué)領域。
（2）壓(yā)敏陶瓷(cí)
（3）氣敏陶(táo)瓷
從20世(shi)紀70年代(dài)開始，人(ren)們就在(zai)将稀土(tu)氧化物(wù)摻加到(dào)ZnO、SnO2及Fe2O3等🌈氣(qì)敏陶瓷(cí)材料中(zhōng)的作用(yong)方面作(zuo)了許多(duō)研究㊙️，并(bìng)制得了(le)ABO3型和A2BO4型(xíng)稀土複(fu)合氧化(hua)物材料(liào)。有研究(jiū)結果顯(xiǎn)示，在ZnO中(zhōng)加入稀(xī)土氧化(huà)物㊙️，可明(ming)顯提高(gāo)其對丙(bing)👨❤️👨烯的靈(líng)敏度；在(zài)SnO2中摻加(jia)CeO2，可得到(dao)對乙醇(chun)敏感的(de)燒結🔴型(xíng)元件。
大(da)連理工(gōng)大學對(duì)在Fe2O3中摻(chan)加稀土(tu)氧化物(wù)RE2O3（RE=Nd、Sm、La）而獲得(dé)的REFeO3系列(lie)材料的(de)性能進(jìn)行了研(yan)究，指出(chū)材料的(de)超微粒(lì)化是提(tí)高🈲氣敏(min)元件靈(líng)敏🌈度的(de)重要因(yin)素，且稀(xī)土元☀️素(su)不同，對(dui)材料微(wei)觀形貌(mao)的影響(xiǎng)也有所(suǒ)不同，其(qí)中NdFeO3和SmFeO3的(de)粒度🌐較(jiào)小，LaFeO3的粒(lì)度稍大(da)。将所測(ce)REFeO3系列氣(qi)敏元件(jian)😘在0.13%濃度(du)的不同(tóng)氣氛中(zhong)進行分(fen)析，發現(xian)REFeO3系列材(cái)料對乙(yǐ)醇均有(yǒu)較高的(de)靈敏度(du)，且其🌈靈(ling)敏度高(gāo)低順序(xù)依次爲(wèi)NdFeO3﹥SmFeO3﹥LaFeO3，同時對(dui)汽油的(de)靈敏度(dù)較低，對(dui)其它氣(qi)體幾乎(hu)不反應(yīng)，因此具(jù)有較強(qiáng)的選擇(ze)性。
（4）熱敏(mǐn)陶瓷
（5）濕敏陶(táo)瓷
在種(zhǒng)類繁多(duo)的濕敏(mǐn)陶瓷中(zhōng)，目前稀(xi)土的摻(chān)加主要(yào)爲镧及(ji)🚶♀️其氧化(huà)物，如Sr1-xLaxSnO3系(xi)、La2O3-TiO2系、La2O3-TiO2-V2O5系、Sr0.95La0.05SnO3及(ji)Pd0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)0.98O3-KH2PO3等。爲了(le)進一步(bu)提高✊濕(shi)度陶瓷(ci)的靈敏(min)度，在現(xian)性和穩(wěn)定性，以(yi)增強其(qí)實用性(xing)，還需加(jiā)強稀土(tu)摻加對(duì)陶瓷相(xiang)關👣性能(neng)影響方(fāng)面的研(yán)究。
随着材(cai)料科學(xue)的發展(zhǎn)，近年來(lái)功能複(fu)合陶瓷(cí)備受關(guan)注，稀土(tu)🤞摻雜在(zai)功能複(fú)合陶瓷(cí)的開發(fā)研究方(fang)面也取(qu)得了較(jiao)大⭐進展(zhan)。浙江☔大(dà)學陳昂(ang)等，采用(yong)常規功(gong)♻️能陶瓷(ci)💋的制備(bèi)方法，将(jiang)稀土超(chāo)導陶瓷(cí)YBa2Cu3O7-x和鐵電(diàn)陶瓷BaTiO3複(fu)合，獲得(de)了鐵電(diàn)性✨與超(chao)導性共(gòng)存的YBa2Cu3O7-x- BaTiO3系(xì)🔱複合功(gōng)能陶瓷(cí)，其電導(dǎo)特性符(fú)合三維(wéi)導電行(hang)爲，并當(dang)YBa2Cu3O7-x含量較(jiào)高時呈(chéng)超導性(xìng)㊙️。華中理(li)工大學(xue)周東祥(xiáng)等的研(yán)究指出(chu)，LaCoO3-SrCoO3系和LaCrO3- SrCrO3系(xì)🌈複合功(gong)能陶瓷(ci)，可用作(zuo)磁流體(tǐ)電機的(de)電極材(cái)料和氣(qì)敏材料(liào)；而在NTC熱(rè)敏複合(he)材料NiMn2O4-LaCrO3陶(tao)瓷中，新(xin)化合物(wù)LaMnO3導電相(xiàng)決定着(zhe)陶瓷的(de)主要性(xing)質。西安(ān)交通大(dà)學的鄒(zou)秦等通(tong)🍓過用稀(xi)土離子(zi)Y3+、La3+對（Sr,Ca）TiO3摻雜(zá)，省去了(le)原🔴有的(de)用堿金(jin)屬離子(zi)（Nb5+、Ta5+）塗覆并(bìng)😘進行熱(re)擴散的(de)工藝，而(ér)且制得(dé)的陶瓷(cí)材料緻(zhì)密度高(gāo)、工藝性(xing)能良好(hǎo)，并保持(chi)了電阻(zǔ)🌈率低（ρ爲(wei)10-2Ω·cm量級）、非(fei)線性高(gao)（非線性(xing)系數α﹥10）的(de)介電-壓(yā)敏複合(hé)功能特(te)性。
智能(néng)陶瓷是(shì)指具有(yǒu)自診斷(duan)、自調整(zheng)、自恢複(fú)、自轉換(huan)💔等特點(dian)的一💁類(lèi)功能陶(táo)瓷。如前(qián)所述在(zai)锆钛酸(suan)鉛（PZT）陶♻️瓷(ci)中☁️添加(jiā)稀土镧(lán)而獲得(dé)的锆钛(tài)酸鉛镧(lán)（PLZT）陶瓷，不(bú)但是一(yī)種優良(liang)的電光(guang)陶瓷，而(ér)且👈因其(qi)具💞有形(xíng)狀記憶(yi)功能，即(ji)體現出(chu)形狀♋自(zì)我恢複(fu)🙇🏻的自調(diào)諧🏃♂️機制(zhì)，故也是(shì)一種智(zhi)能陶瓷(ci)。智能陶(tao)瓷材料(liào)概念的(de)提出，倡(chàng)導♍了一(yī)種研制(zhi)和設計(jì)陶瓷材(cái)料❤️的新(xin)理念，對(dui)拓👨❤️👨寬稀(xi)土在近(jìn)代功能(néng)陶瓷中(zhong)應用極(ji)爲有利(li)。
近年的(de)研究還(hái)表明，稀(xi)土在生(sheng)物陶瓷(cí)、抗菌陶(tao)瓷等新(xin)✔️型陶瓷(ci)材料中(zhōng)也有着(zhe)獨特的(de)作用。由(you)于稀土(tu)元⛷️素可(ke)與銀、鋅(xīn)、銅等過(guo)渡元素(sù)協同增(zēng)效，開發(fa)的稀土(tǔ)複合磷(lín)酸鹽抗(kang)菌可使(shi)陶瓷表(biao)面産生(shēng)大量的(de)羟基自(zi)由基，從(cong)而增強(qiáng)了陶瓷(cí)的抗菌(jun)性能。
我(wǒ)國是一(yi)個衆所(suǒ)周知的(de)稀土資(zī)源大國(guó)，應進一(yi)步加強(qiang)🌐稀☂️土🌈摻(chān)㊙️雜對功(gōng)能陶瓷(ci)性能影(ying)響的研(yán)究和新(xīn)型功能(néng)陶🧡瓷的(de)開發力(lì)度，以充(chong)分發揮(huī)我國的(de)稀土資(zi)源優☁️勢(shì)，有效提(tí)升稀土(tu)在高科(kē)技材料(liao)中的應(yīng)用價值(zhí)。
