Elementi di terra rarasono un termine generale per 17 elementi metallici, tra cui 15 elementi di lantanide eScandiumEittrio. Dalla fine del 18 ° secolo, sono stati ampiamente utilizzati in metallurgia, ceramica, vetro, petrolchimici, stampa e tintura, agricoltura e silvicoltura e altre industrie. L'applicazione di elementi delle terre rare nell'industria ceramica del mio paese è iniziata negli anni '30. Negli anni '70, l'importo totale diterre rareUtilizzato nei materiali ceramici ha raggiunto 70T/anno, rappresentando circa il 2% al 3% della produzione interna totale. Al momento, le terre rare sono utilizzate principalmente in ceramiche strutturali, ceramiche funzionali, smalti di ceramica e altri campi. Con lo sviluppo continuo e l'applicazione di nuovi materiali delle terre rare, le terre rare vengono utilizzate come additivi, stabilizzatori e aiuti alla sinterizzazione in vari materiali ceramici, che migliora notevolmente le loro prestazioni, riducono i costi di produzione e rendono possibile la loro applicazione industriale.
Applicazione di elementi delle terre rare in ceramica strutturale
■ Applicazione inAl2O3Le ceramiche di ceramiche AL2O3 sono le ceramiche strutturali più utilizzate a causa della loro elevata resistenza, resistenza ad alta temperatura, buona isolamento, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e buone proprietà elettromeccaniche. Aggiungendo ossidi di terre rari comeY2O3, La2o3, SM2O3, ecc. Possono migliorare le proprietà di bagnatura dei materiali compositi AL2O3, ridurre il punto di fusione dei materiali ceramici; ridurre la porosità del materiale e aumentare la densità; ostacolare la migrazione di altri ioni, ridurre il tasso di migrazione dei confini del grano, inibire la crescita del grano e facilitare la formazione di strutture dense; Migliorare la forza della fase di vetro, raggiungendo così lo scopo di migliorare le proprietà meccaniche della ceramica AL2O3.
■ Applicazione inSi3n4Ceramicsi3N4 Ceramics ha eccellenti proprietà meccaniche, proprietà termiche e stabilità chimica e sono i materiali più promettenti per la ceramica strutturale ad alta temperatura. Poiché SI3N4 è un forte composto di legame covalente, Pure SI3N4 non può essere densificato dalla sinterizzazione di fase solida convenzionale. Pertanto, oltre alla sinterizzazione della reazione della nitridazione diretta della polvere di Si, è necessario aggiungere una certa quantità di aiuti di sinterizzazione per creare un materiale denso. Al momento, gli aiuti di sinterizzazione più ideali per preparare le ceramiche Si3N4 sono ossidi di terre rari comeY2O3, Nd2o3, ELa2o3. Da un lato, questi ossidi di terre rare reagiscono con la traccia SIO2 sulla superficie della polvere Si3N4 ad alta temperatura per generare fasi di vetro ad alta temperatura contenenti azoto, che promuovono efficacemente la sinterizzazione della ceramica Si3N4; D'altra parte, formano i confini del grano di vetro Y-la-Si-on con elevata refrattarietà e viscosità, hanno una resistenza flessione ad alta temperatura elevata e una buona resistenza all'ossidazione e sono facili da precipitare composti cristallini contenenti Y e LA con elevati punti di fusione in condizioni di alta temperatura, che migliora la durezza della frattura ad alta temperatura del materiale.
■ Applicazione inZro2La ceramica Zro2 le ceramiche hanno un'alta densità, un elevato punto di fusione e una durezza, in particolare la forza di flessione elevata e la resistenza alla frattura, che sono le più alte tra tutte le ceramiche. Poiché la trasformazione cristallina di ZRO2 è accompagnata da un'evidente variazione di volume, l'ambito di uso diretto è limitato. Con l'approfondimento del lavoro di ricerca, si è scoperto che l'aggiunta di ossidi di terre rare ha un migliore effetto inibitorio e stabilizzante sul cambiamento di fase di ZRO2. Gli ossidi di terre rare comunemente usati sono principalmenteY2O3,Nd2o3e Ce2O3. Il loro raggio ionico è sostanzialmente vicino a quello di Zr4+e possono formare soluzioni solide sostitutive monocliniche, tetragonali e cubiche con ZRO2. Questo tipo di materiale ceramico ZRO2 ha buoni indicatori di prestazioni tecniche. Per esempio,CEO2può formare una regione di fase di soluzione solida di zirconia tetragonale in una vasta gamma con ZRO2, che è un buon materiale elettrolitico solido. ZRO2 stabilizzato da Y2O3 (YSZ) è un eccellente materiale di conduttore ionico di ossigeno, che è stato ampiamente utilizzato nelle celle a combustibile a ossido solido (SOFC), sensori di ossigeno e reattori di membrana parziale di ossidazione parziale del metano.
■ Applicazione inSicceramicaCarburo di silicioLa ceramica è resistente alle alte temperature, agli shock termici, alla corrosione, all'usura, alla buona conduttività termica e al peso leggero e sono comunemente usate ceramiche strutturali ad alta temperatura. Le forti caratteristiche di legame covalente diSicDetermina che è difficile ottenere la densificazione della sinterizzazione in condizioni normali. Di solito è necessario aggiungere aiuti di sinterizzazione o utilizzare i processi di sinterizzazione della pressione isostatica a caldo e di pressione isostatica. Il processo di produzione è complicato e il costo è elevato. L'aiuto di sinterizzazione più efficace per la sinterizzazione senza pressioni di SIC è Al2O3-Y2O3; I materiali compositi in ceramica SIC-YAG con Y3al5O12 (YAG in breve) poiché il principale aiuto di sinterizzazione può ottenere una sinterizzazione di densificazione a una temperatura inferiore, quindi sono considerati uno dei più promettenti sistemi di ceramica in carburo di silicio.
■ Applicazione inAlnceramicaAlnè un composto di legame covalente con un punto di fusione elevato, alta conducibilità termica, costante dielettrica bassa e resistenza alla corrosione di metalli e leghe come ferro e alluminio. Ha un'eccellente resistenza ad alta temperatura in atmosfere speciali ed è un substrato di circuito integrato su larga scala ideale e materiale di imballaggio. Poiché ALN è un legame covalente, la sinterizzazione è molto difficile e un singolo aiuto sinterizzato può ridurre la temperatura di sinterizzazione solo in misura limitata, quindi gli aiuti compositi (ossidi di metallo della terra rare e ossidi di metallo di terra alcalina) sono generalmente usati come aiuti alla sinterizzazione per formare una fase liquida per promuovere il sinterizzazione. Inoltre, gli aiuti alla sinterizzazione possono anche reagire con le impurità di ossigeno inAln, ridurre i posti vacanti in alluminio causati da ossigeno parziale che si dissolve nel reticolo ALN e migliora la conduttività termica diAln.
■ L'applicazione in ceramica di Sialon Sialon è una sorta di densa ceramica di nitruro policristallino si-al-al-alvane sviluppate sulla base diSi3n4ceramica. Sono formati da una parziale sostituzione di atomi di Si e N atomi inSi3n4da atomi di al e atomi O in al2o3. La loro forza, tenacità e resistenza all'ossidazione sono migliori della ceramica SI3N4 e sono particolarmente adatti per i componenti del motore in ceramica e altri prodotti ceramici resistenti all'usura. I materiali di Sialon non sono facili da sincronizzare. L'introduzione di ossidi di terre rare è favorevole alla formazione di fase liquida a una temperatura più bassa, che promuove efficacemente la sinterizzazione. Allo stesso tempo, i cationi di terre rare possono entrare nel reticolo della fase α-Si3N4, ridurre il contenuto della fase di vetro e formare una fase limite di grano, migliorando la temperatura ambiente e le prestazioni ad alta temperatura del materiale. Gli studi hanno dimostrato che l'aggiunta dell'1%Y2O3Può formare una fase di vetro ad alta temperatura quando la sinterizzazione della ceramica di Sialon ad alte temperature, che non solo promuove la sinterizzazione, ma migliora anche la sua tenacità della frattura. Inoltre, l'aggiunta di una piccola quantità di Y2O3 migliora notevolmente la sua resistenza all'ossidazione.
Applicazione di elementi di terre rare in ceramica funzionale
Terre raresono strettamente correlati alla ceramica funzionale. Aggiungendo certoelementi di terra raraPer le materie prime di molte ceramiche funzionali non solo possono migliorare la sinterizzazione, la densità, la forza, ecc. della Ceramica, ma, soprattutto, può migliorare significativamente i loro effetti funzionali unici.
1Ruolo nella ceramica superconduttiva dal 1987, quando scienziati materiali da Cina, Giappone, Stati Uniti e altri paesi hanno scoperto che la ceramica di ossidoossido di rame del bario ittrio(YBCO) hanno un'eccellente superconduttività ad alta temperatura (TC fino a 92K), le persone hanno lavorato molto nella ricerca sulle prestazioni e nello sviluppo dell'applicazione della ceramica di superconduttori ad alta temperatura delle terre rare e hanno fatto molti progressi gravi. Gli studi giapponesi hanno dimostrato che dopo aver sostituito Y in YBCO conTerre rare leggere(Ln) comeNd, Sm, Eu, EGd, la resistenza al campo magnetico critico del materiale ceramico superconduttore risultante LNBCO è significativamente migliorata e anche la forza di pinning del flusso magnetico è notevolmente migliorata, il che ha un grande valore pratico in elettricità, accumulo di energia e trasporto. Università di Pechino utilizzataZro2come substrato e lo riscaldò a circa 200 ° C ed evaporato Y (o altroterre rare), BA ossidi e Cu sul substrato negli strati per il trattamento di diffusione e il calore li ha trattati nell'intervallo di temperatura di 800-900 ° C. Le ceramiche superconduttori risultanti hanno mostrato un buon coefficiente di temperatura della resistenza metallica superiore a 100K. Aggiunta dell'Università di Kagoshima in Giapponeterra raraOssidi da LA a SR e NB per realizzare un film in ceramica, che mostrava superconduttività a 255k.
2 Applicazione in titanato di ceramica piezoelettrica (Pbtio3) è una tipica ceramica piezoelettrica con effetto di accoppiamento di energia elettrica meccanica. Ha una temperatura di curva elevata (490 ° C) e una costante dielettrica bassa ed è adatto per l'applicazione a temperature elevate e ad alta frequenza. Tuttavia, durante il processo di preparazione e raffreddamento, le micro crepe sono soggette a verificarsi a causa della transizione di fase cubica-tetragonale. Per risolvere questo problema, le terre rare vengono utilizzate per modificarlo. Dopo la sinterizzazione a 1150 ° C, è possibile ottenere ceramiche re-PBtio3 con una densità relativa del 99%. La microstruttura è significativamente migliorata e può essere utilizzata per produrre array di trasduttori che lavorano in condizioni di alta frequenza di 75 MHz. In ceramica piezoelettrica con zirconato di piombo (PZT) con alti coefficienti piezoelettrici, aggiungendo ossidi di terre rare comeLa2o3, SM2O3, ENd2o3, le proprietà di sinterizzazione della ceramica PZT possono essere significativamente migliorate e si possono ottenere proprietà elettriche e piezoelettriche stabili. Inoltre, le prestazioni della ceramica PZT possono essere migliorate aggiungendo una piccola quantità di ossido di terre rareCEO2. Dopo aver aggiunto CEO2, aumenta la resistività del volume della ceramica PZT, che è favorevole alla realizzazione della polarizzazione a temperatura elevata e al campo elettrico elevato nel processo e anche la sua resistenza all'invecchiamento del tempo e all'invecchiamento della temperatura. Ceramica PZT modificata daterre raresono stati ampiamente utilizzati in generatori ad alta tensione, generatori ad ultrasuoni, trasduttori acustici subacquei e altri dispositivi.
3Applicazione in ceramica con conduttiva con zirconia stabilizzata con ittrie (YSZ) conossido di terra raro Y2O3Poiché additivo ha una buona stabilità termica e chimica ad alte temperature, sono buoni conduttori ioni di ossigeno e hanno una posizione di spicco nella ceramica conduttiva ionica. I sensori ceramici YSZ sono stati utilizzati con successo per misurare la pressione parziale dell'ossigeno nello scarico automobilistico, controllano efficacemente il rapporto aria/carburante e hanno effetti significativi di risparmio energetico. Sono stati ampiamente utilizzati in caldaie industriali, forni a fusione, inceneritori e altre attrezzature a base di combustione. Tuttavia, le ceramiche YSZ mostrano un'elevata conduttività ionica solo quando la temperatura è superiore a 900 ° C, quindi la loro applicazione è ancora soggetta a determinate restrizioni. La ricerca esistente ha scoperto che l'aggiunta di una quantità adeguata di Y2O3 oGd2o3 to Bi2O3La ceramica con conduttività ionica più elevata può stabilizzare la fase cubica incentrata sul viso BI2O3 a temperatura ambiente. Allo stesso tempo, i modelli di diffrazione dei raggi X hanno anche dimostrato che (BI2O3) 0,75 · (Y2O3) 0,25 e (Bi2O3) 0,65 · (Gd2O3) 0,35 sono entrambe strutture cubiche centrate su facciale stabili con alta conduttività ionica di ossigeno. Dopo aver rivestito il lato di questa ceramica con un film protettivo di (ZRO2) 0,92 (Y2O3) 0,08, i sensori a combustibile e i sensori di ossigeno con alta conduttività ionica e una buona stabilità che possono funzionare in condizioni di media temperatura (500 ~ 800 ℃) possono essere preparati e assemblati, il che è favorevole a risolvere le difficoltà portate dalla tecnologia ad alta temperatura.
4 L'applicazione in ceramica dielettrica ceramica dielettrica viene utilizzata principalmente per produrre condensatori ceramici e componenti dielettrici a microonde. In ceramiche dielettriche comeTiO2, Mgtio3,Batio3e la loro ceramica dielettrica composita, aggiuntaterre rarecome LA, ND e DY possono migliorare significativamente le loro proprietà dielettriche. Ad esempio, nelle ceramiche BATIO3 con una costante dielettrica elevata, aggiungendo LA e ND Rare Earth Composti con un valore costante dielettrico di ε = 30 ~ 60 può mantenere la sua costante dielettrica stabile su un ampio intervallo di temperatura e la durata di servizio del dispositivo è significativamente migliorata. Nelle ceramiche dielettriche per i condensatori di compensazione termica, le terre rare possono anche essere aggiunte in modo appropriato, se necessario per migliorare o regolare la costante dielettrica, il coefficiente di temperatura e il fattore di qualità della ceramica, espandendo così la sua gamma di applicazioni. La ceramica di titanato di magnesio a magnesio del condensatore termicamente stabile viene modificata con LA2O3 e le ceramiche MgO · TIO2-LA2O3-TIO2 e la ceramica Catio3-MgTIO3-LA2TiO5 non solo mantengono le caratteristiche originali di bassa perdita dielettrica e coefficiente di temperatura, ma migliorano in modo significativo il loro dielectriccostante.
5 L'applicazione in ceramiche sensibili in ceramica sensibile è un importante tipo di ceramica funzionale. Sono caratterizzati dall'essere sensibili a determinate condizioni esterne come tensione, composizione del gas, temperatura, umidità, ecc. Pertanto, possono monitorare i circuiti, i processi operativi o gli ambienti attraverso la reazione o il cambiamento dei relativi parametri delle prestazioni elettriche. Sono ampiamente usati come elementi di rilevamento nei circuiti di controllo, quindi sono anche chiamati ceramici del sensore. C'è una stretta relazione tra le terre rare e le prestazioni di questo tipo di ceramica.
(1) Ceramica elettro-ottica: aggiungendo ossido di terre rareLa2o3A PZT, è possibile ottenere una ceramica elettro-ottica del lantanio di piombo trasparente. Il materiale a matrice originale PZT è generalmente opaco a causa della presenza di pori, fasi di confine del grano e anisotropia, mentre l'aggiunta di LA2O3 rende la sua uniforme da microstruttura, elimina in gran parte i pori, indebolisce la sua anisotropia e riduce in modo significativo la dispersione della luce causata da più rifrazioni sui confini del grano e la dispersione della luce causata dalla seconda fase. Pertanto, PLZT ha buone prestazioni di trasmissione della luce. PLZT è ampiamente utilizzato negli occhiali per la protezione delle radiazioni di esplosione nucleare, le finestre di bombardieri pesanti, i modulatori di comunicazione ottica, i dispositivi di registrazione olografica, ecc.
(2) Varistor Ceramics: la Central South University of Technology ha studiato l'effetto degli elementi delle terre rare sulle proprietà elettriche della ceramica di ZnO Varistor. Dopo che la ceramica di ZnO Varistor è stata drogata con ossido di terre rareLa2o3, il loro valore VLMA di tensione varistore è aumentato significativamente; Quando la quantità di doping è aumentata dallo 0,1% al 10%, il coefficiente non lineare α del ceramico è diminuito da 20 a 1 e sostanzialmente non aveva proprietà varistor. Pertanto, per la ceramica di ZnO, il doping di elementi di terre rare a bassa concentrazione può aumentare il suo valore di tensione del varistore, ma ha scarso effetto sul coefficiente non lineare; E il doping ad alta concentrazione non mostra caratteristiche del varistore.
(3) Ceramica sensibile al gas: dagli anni '70, le persone hanno svolto molte ricerche sul ruolo di aggiunta di ossidi di terre rare a materiali ceramici sensibili al gas come ZnO,Sno2EFe2o3e hanno prodotto materiali di ossido composito di Earth ABO3 e A2Bo4. I risultati della ricerca mostrano che l'aggiunta di ossidi di terre rare a ZnO può migliorare significativamente la sua sensibilità al propilene; AggiuntaCEO2a SNO2 può produrre un elemento sinterizzato sensibile all'etanolo.
(4) Ceramica termistor: il bario Titanate (BAIO3) è la ceramica termistor più studiata e ampiamente utilizzata. Quando tracce elementi di terre rare come LA, CE, SM, Dy, Y, ecc. Vengono aggiunti a BAIO3 (la frazione atomica molare è controllata per essere dello 0,2% allo 0,3%), parte di BA2+ è sostituita da Re3+ con un raggio simile a BA2+, generando cariche positive in eccesso e formando elettroni debolmente limitati attraverso l'azione di TI4+, così la resistenza del ceramico, la resistenza di ceramic. Tuttavia, se l'importo del doping supera un certo valore, a causa della formazione di posti vacanti di BA2+ e della scomparsa dei portatori conduttivi, la resistività della ceramica aumenta bruscamente e diventa persino un isolante.
(5) Ceramica sensibile all'umidità: tra i vari tipi di ceramiche sensibili all'umidità, le terre rare attualmente aggiunte sono principalmente Lanthanum e i suoi ossidi, come SR1-XLAXSNO3 Sistema, sistema La2O3-Tio2, LA2O3-TIO2-V2O5 Sistema, SR0.95LA0.05Sno3 e PD0.91LA0.09 (ZR0.65Ti0.35) 0.98O3-KH2PO3, ecc. Al fine di migliorare ulteriormente la sensibilità della ceramica di umidità, in termini di realismo e stabilità e per migliorare la loro praticità, è anche necessario rafforzare la ricerca sull'influenza dell'influenzaterra raraaggiunta sulle proprietà pertinenti della ceramica.
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Tempo post: feb-06-2025