Seltenerdelementesind ein allgemeiner Begriff für 17 Metallelemente, darunter 15 Lanthanidelemente undSkandiumUndYttrium. Seit Ende des 18. Jahrhunderts werden sie in Metallurgie, Keramik, Glas, Petrochemikalien, Druck und Färben, Landwirtschaft und Forstwirtschaft und anderen Branchen weit verbreitet. Die Anwendung von Seltenerdelementen in der Keramikindustrie meines Landes begann in den 1930er Jahren. In den 1970er Jahren die Gesamtmenge vonSeltene ErdenIn Keramikmaterialien erreichte 70 t/Jahr und machten etwa 2% bis 3% der gesamten Inlandsproduktion aus. Gegenwärtig werden seltene Erden hauptsächlich in Strukturkeramik, funktionaler Keramik, Keramikglasuren und anderen Feldern verwendet. Mit der kontinuierlichen Entwicklung und Anwendung neuer Seltenerdmaterialien werden Seltene Erden als Additive, Stabilisatoren und Sinterhilfen in verschiedenen Keramikmaterialien verwendet, was ihre Leistung erheblich verbessert, die Produktionskosten reduziert und ihre industrielle Anwendung ermöglicht.
Anwendung von Seltenerdelementen in der Strukturkeramik
■ Anwendung inAL2O3Keramik Al2o3 Ceramics sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit, hohen Temperaturbeständigkeit, einer guten Isolierung, ihrer Verschleißfestigkeit, ihrer Korrosionsbeständigkeit und guten elektromechanischen Eigenschaften die am weitesten verbreitete Strukturkeramik. Hinzufügen von Seltenerdoxiden wieY2o3, La2o3, Sm2o3usw. kann die Benetzungseigenschaften von Al2O3 -Verbundwerkstoffen verbessern, den Schmelzpunkt von Keramikmaterialien verringern; Reduzieren Sie die Porosität des Materials und erhöhen Sie die Dichte; behindern die Migration anderer Ionen, verringern Sie die Migrationsrate von Korngrenzen, hemmen das Kornwachstum und erleichtern die Bildung dichter Strukturen; Verbessern Sie die Stärke der Glasphase und erreichen damit den Zweck der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der al2o3 -Keramik.
■ Anwendung inSi3n4CeramicSi3n4-Keramik haben hervorragende mechanische Eigenschaften, thermische Eigenschaften und chemische Stabilität und sind die vielversprechendsten Materialien für Hochtemperaturstrukturkeramik. Da SI3N4 eine starke kovalente Bindungsverbindung ist, kann reines Si3N4 nicht durch herkömmliches Festphasensintern verdichtet werden. Daher muss zusätzlich zum Reaktionssintern der direkten Nitridierung von Si -Pulver eine bestimmte Menge an Sinterhilfe hinzugefügt werden, um ein dichtes Material zu erstellen. Derzeit hilft die idealere Sinterhilfen für die Vorbereitung von Si3N4 -KeramikY2o3, ND2O3, UndLa2o3. Einerseits reagieren diese Seltenerdoxide mit Trace SiO2 auf der Oberfläche von Si3N4-Pulver bei hoher Temperatur, um stickstoffhaltige Hochtemperaturglasphasen zu erzeugen, die das Sintern der Si3N4-Keramik effektiv fördern; Andererseits bilden sie y-la-si-an-Glas-Korngrenzen mit hoher Refraktär und Viskosität, haben eine hohe Hochtemperaturflexstärke und eine gute Oxidationsbeständigkeit und sind leicht zu kristallinen Verbindungen, die Y und LA enthalten, mit hohen Schmelzpunkten unter hohen Temperaturbedingungen leicht zu fällen, was die Hochtemperatur-Härte des Materials verbessert.
■ Anwendung inZRO2Ceramics ZRO2 Ceramics haben eine hohe Dichte, einen hohen Schmelzpunkt und die Härte, insbesondere die hohe Biegefestigkeit und die Frakturzähigkeit, die unter allen Keramiken am höchsten sind. Da die Kristalltransformation von ZRO2 von einer offensichtlichen Volumenänderung begleitet wird, ist der Umfang der direkten Verwendung begrenzt. Mit der Vertiefung der Forschungsarbeiten wurde festgestellt, dass die Zugabe von Seltenerdoxiden eine bessere hemmende und stabilisierende Wirkung auf die Phasenänderung von ZRO2 hat. Häufig verwendete Seltenerdoxide sind hauptsächlichY2o3AnwesendND2O3und CE2O3. Ihr ionischer Radius liegt im Grunde genommen nahe dem von ZR4+und können mit ZRO2 monoklinische, tetragonale und kubische Substitutions -Festlösungen bilden. Diese Art von ZRO2 -Keramikmaterial weist gute technische Leistungsindikatoren auf. Zum Beispiel,CEO2Kann eine Phasenregion von tetragonaler Zirkonia -Feststofflösung in einem weiten Bereich mit ZRO2 bilden, was ein gutes massives Elektrolytmaterial ist. Y2O3-stabilisiertes ZRO2 (YSZ) ist ein ausgezeichnetes Sauerstoffionenleitermaterial, das in festen Oxid-Brennstoffzellen (SOFC), Sauerstoffsensoren und methan-partiellen Oxidationsmembranreaktoren häufig verwendet wurde.
■ Anwendung inSicKeramikSiliziumkarbidDie Keramik sind resistent gegen hohe Temperaturen, thermische Schock, Korrosion, Verschleiß, gute thermische Leitfähigkeit und geringes Gewicht und werden üblicherweise mit hoher Temperaturstrukturkeramik verwendet. Die starken kovalenten Bindungseigenschaften vonSicStellen Sie fest, dass es schwierig ist, unter normalen Bedingungen eine Sinterverdichtung zu erreichen. In der Regel ist es notwendig, Sinterhilfen hinzuzufügen oder heiße und heiße isostatische Pressungsprozesse zu verwenden. Der Produktionsprozess ist kompliziert und die Kosten hoch. Die effektivste Sinterhilfe für das unter Druck stehende Sintern von SIC ist Al2O3-Y2O3; SIC-yAG-Keramik-Verbundwerkstoffe mit Y3Al5O12 (kurz yag) als Hauptssinterhilfe können eine Verdichtung bei einer niedrigeren Temperatur erreichen, daher gelten sie als eines der vielversprechendsten Carbid-Carbid-Keramiksysteme aus Silizium.
■ Anwendung inAlnKeramikAlnist eine kovalente Bindungsverbindung mit einem hohen Schmelzpunkt, einer hohen thermischen Leitfähigkeit, einer niedrigen Dielektrizitätskonstante und dem Widerstand gegen die Korrosion von Metallen und Legierungen wie Eisen und Aluminium. Es hat eine hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit in speziellen Atmosphären und ist ein ideales großflächiges Substrat und das Verpackungsmaterial mit großem Maßstab. Da ALN eine kovalente Bindung ist, ist das Sintern sehr schwierig, und eine einzelne Sinterhilfe kann die Sintertemperatur nur in begrenztem Maße verringern, sodass Verbundhilfen (Seltene Erdmetalloxide und alkalisches Erdmetalloxide) normalerweise als Sinternilder verwendet werden, um eine flüssige Phase zu bilden, um das Sintern zu fördern. Darüber hinaus können Sinterhilfen auch mit Sauerstoffverunreinigungen in reagierenAln, reduzieren Aluminiumleerstellen durch teilweise Sauerstoff, die sich in das Aln -Gitter auflösen, und verbessern Sie die thermische Leitfähigkeit vonAln.
■ Anwendung in der Sialon-Keramik Sialon-Keramik sind eine Art Si-no-al-dicht polykristalline Nitridkeramik, die auf der Grundlage von vonSi3n4Keramik. Sie werden durch teilweise Austausch von Si -Atomen und N -Atomen in gebildetSi3n4von al atomen und o Atomen in Al2o3. Ihre Stärke, Zähigkeit und Oxidationsresistenz sind besser als die Keramik der Si3N4 und sie sind besonders für Keramikmotorenkomponenten und andere keerresistente Keramikprodukte geeignet. Sialon -Materialien sind nicht leicht zu singen. Die Einführung von Seltenerdoxiden ist der Bildung der flüssigen Phase bei einer niedrigeren Temperatur, die das Sintern wirksam fördert. Gleichzeitig können Kationen mit Seltenen erd in das Gitter der α-Si3N4-Phase eintreten, den Gehalt der Glasphase reduzieren und eine Korngrenzephase bilden, wodurch die Raumtemperatur und die hohe Temperaturleistung des Materials verbessert werden. Studien haben gezeigt, dass 1% hinzugefügt wirdY2o3Kann eine Hochtemperatur-Glasphase bilden, wenn die Sialon-Keramik bei hohen Temperaturen gesintert wird, was nicht nur das Sintern fördert, sondern auch seine Frakturschärfe verbessert. Zusätzlich verbessert das Hinzufügen einer geringen Menge von Y2O3 auch die Oxidationsresistenz erheblich.
Anwendung von Seltenerdelementen in funktionaler Keramik
Seltene Erdensind eng mit der funktionellen Keramik verwandt. Sicheres HinzufügenSeltenerdelementeAuf die Rohstoffe vieler funktioneller Keramik können nicht nur das Sintern, die Dichte, die Stärke usw. der Keramik verbessert, sondern auch, was noch wichtiger ist, es kann ihre einzigartigen funktionellen Effekte erheblich verbessern.
1Rolle bei supraleitender Keramik seit 1987, als Materialwissenschaftler aus China, Japan, den Vereinigten Staaten und anderen Ländern diese Oxidkeramik entdecktenYttrium -Barium -Kupferoxid(YBCO) verfügen über eine hervorragende Hochtemperatur-Superkonditionivität (TC bis zu 92.000). Japanische Studien haben gezeigt, dass y in ybco durch ersetzt wurdeLeichte seltene Erden(Ln) wieNd, Sm, Eu, UndGdDie kritische Magnetfeldstärke der resultierenden supraleitenden Keramikmaterial -LNBCO ist erheblich verbessert, und die magnetische Flussfutterkraft wird ebenfalls erheblich verbessert, was bei Strom, Energiespeicherung und Transport von großem praktischem Wert ist. Peking University verwendetZRO2als Substrat und erhitzte es auf etwa 200 ° C und verdampfte y (oder andereSeltene Erden) BA-Oxide und Cu am Substrat in Schichten zur Diffusionsbehandlung und Wärme behandelten sie im Temperaturbereich von 800 bis 900 ° C. Die resultierende supraleitende Keramik zeigte einen guten metallischen Widerstandstemperaturkoeffizienten über 100k. Die Kagoshima University in Japan fügte hinzuSeltene ErdeLa zu SR- und NB -Oxiden, um einen Keramikfilm zu machen, der eine Superkontrolle bei 255.000 aufwies.
2 Anwendung in piezoelektrischer Keramik -Leiter -Titanat (Titanat (PBTIO3) ist eine typische piezoelektrische Keramik mit mechanischer Energie-elektrischer Energiekopplungseffekt. Es hat eine hohe Curie -Temperatur (490 ° C) und eine niedrige Dielektrizitätskonstante und ist für die Anwendung unter hohen Temperatur- und Hochfrequenzbedingungen geeignet. Während des Vorbereitung und des Kühlprozesses sind Mikrorisse aufgrund des kubisch-tetragonalen Phasenübergangs auftreten. Um dieses Problem zu lösen, werden Seltene Erden verwendet, um es zu ändern. Nach dem Sintern bei 1150 ° C kann eine RE-PBTIO3-Keramik mit einer relativen Dichte von 99% erhalten werden. Die Mikrostruktur ist erheblich verbessert und kann zur Herstellung von Wandlerarrays verwendet werden, die unter hohen Frequenzbedingungen von 75 MHz arbeiten. In Bleizirkonat -Titanat (PZT) piezoelektrische Keramik mit hohen piezoelektrischen Koeffizienten durch Zugabe von seltenen Erdoxiden wie z.La2o3, Sm2o3, UndND2O3Die Sintereigenschaften der PZT -Keramik können erheblich verbessert werden und stabile elektrische und piezoelektrische Eigenschaften können erhalten werden. Darüber hinaus kann die Leistung der PZT -Keramik verbessert werden, indem eine kleine Menge Seltenerdoxid hinzugefügt wirdCEO2. Nach Zugabe von CEO2 steigt der Volumenwiderstand der PZT -Keramik, was der Realisierung der Polarisation unter hoher Temperatur und hohem elektrischem Feld förderlich ist, und der Widerstand gegen Zeitalterung und Temperaturalterung wird ebenfalls verbessert. PZT -Keramik modifiziert durchSeltene Erdenwurden häufig bei Hochspannungsgeneratoren, Ultraschallgeneratoren, unter Wasser akustischen Wandlern und anderen Geräten eingesetzt.
3Anwendung in leitfähigen Keramik-Yttrium-stabilisierten Zirkonia-Keramik (YSZ) mitSeltenerdoxid Y2o3Da Additiv bei hohen Temperaturen eine gute thermische und chemische Stabilität aufweist, gute Sauerstoff -Ionen -Leiter sind und eine herausragende Position in der Ionenleitkeramik einnehmen. YSZ-Keramiksensoren wurden erfolgreich verwendet, um den Sauerstoff-Partialdruck im Automobilabzug zu messen, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis effektiv zu steuern und signifikante energiesparende Effekte zu haben. Sie wurden in Industriekesseln, Schmelzöfen, Verbrennungsanlagen und anderen Verbrennungsgeräten häufig eingesetzt. Die YSZ -Keramik weisen jedoch nur eine hohe ionische Leitfähigkeit auf, wenn die Temperatur höher als 900 ° C ist, sodass ihre Anwendung immer noch bestimmten Einschränkungen unterliegt. Bestehende Untersuchungen haben ergeben, dass das Hinzufügen einer angemessenen Menge von Y2O3 oder hinzugefügt wirdGD2O3 to Bi2o3Keramik mit höherer ionischer Leitfähigkeit kann die bi2o3-Gesichts-kubische Phase bis Raumtemperatur stabilisieren. Gleichzeitig haben Röntgenbeugungsmuster auch gezeigt, dass (BI2O3) 0,75 · (Y2O3) 0,25 und (BI2O3) 0,65 · (GD2O3) 0,35 beide stabile konzentrierte kubische Kubikstrukturen mit hoher Sauerstoffionenleitfähigkeit sind. Nachdem die Seite dieser Keramik mit einem Schutzfilm von (ZRO2) 0,92 (Y2O3) 0,08 beschichtet ist, können Brennstoffzellen und Sauerstoffsensoren mit hoher ionischer Leitfähigkeit und guter Stabilität, die unter mittleren Temperaturbedingungen funktionieren können (500 ~ 800 ℃), können vorbereitet und zusammengebaut werden, was für die Lösung der durch ein hohen Temperaturtechnologie erbrachten Schwierigkeiten gelöst wird.
4 Die Anwendung in dielektrischen Keramik -dielektrischen Keramik wird hauptsächlich zur Herstellung von Keramikkondensatoren und mikrowellendielektrischen Komponenten verwendet. In dielektrischen Keramiken wie z.TiO2, Mgtio3,Batio3und ihre zusammengesetzte dielektrische Keramik hinzufügenSeltene Erdenwie LA, ND und DY können ihre dielektrischen Eigenschaften erheblich verbessern. Beispielsweise kann in Batio3 -Keramik mit einer hohen Dielektrizitätskonstante La- und ND -Verbindungen mit Seltenerd mit einem Dielektrizitätskonstantenwert von ε = 30 ~ 60 seine Dielektrizitätskonstante über einen weiten Temperaturbereich stabil halten, und die Lebensdauer des Geräts ist erheblich verbessert. In dielektrischen Keramik für thermische Kompensationskondensatoren können Seltenerden auch bei Bedarf angemessen hinzugefügt werden, um die Dielektrizitätskonstante, den Temperaturkoeffizienten und den Qualitätsfaktor der Keramik zu verbessern, wodurch der Anwendungsbereich erweitert wird. Die thermisch stabile Kondensator-Magnesium-Titanat-Keramik werden mit LA2O3 und der erhaltenen MGO · TiO2-LA2O3-TiO2-Keramik und Catio3-MGTIO3-LA2TIO5-Keramik nicht nur die ursprünglichen Eigenschaften des niedrigen Dielektrizitätsverlusts und des Temperaturkoeffizienten beibehalten, sondern auch die ursprünglichen Eigenschaften des niedrigen Dielektrikums und des Temperaturkoeffizienten signifikant verbessert, sondern auch die Dielektrikum auch die ursprünglichen Merkmale mit niedrigem Dielektrikum verbessern, sondern auch signifikant ihre DielektrikKonstante.
5 Die Anwendung in sensiblen Keramiken sensible Keramik ist eine wichtige Art von funktionaler Keramik. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie auf bestimmte externe Bedingungen wie Spannung, Gaszusammensetzung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. empfindlich sind. Daher können sie Schaltkreise, Betriebsprozesse oder Umgebungen durch die Reaktion oder Änderung ihrer damit verbundenen elektrischen Leistungsparameter überwachen. Sie werden weit verbreitet als Erfassungselemente in Kontrollschaltungen und werden auch als Sensorkeramik bezeichnet. Es besteht eine enge Beziehung zwischen Seltenen Erden und der Leistung dieser Art von Keramik.
(1) Elektrooptische Keramik: Durch Zugabe von SeltenerdoxidLa2o3An PZT können transparente elektrooptische Keramik (PLZT) -Titanat (PLZT) -Lanthan-Zirkonat-Zirkonat-Zirkonat-Zirkonat-Titanat erhalten werden. Das ursprüngliche Matrixmaterial PZT ist aufgrund des Vorhandenseins von Poren, Korngrenzenphasen und Anisotropie im Allgemeinen undurchsichtig, während die Zugabe von LA2O3 seine Mikrostruktur einheitlich ausmacht, die Poren weitgehend eliminiert, schwächt seine Anisotropie und die durch die multiple Brechungen der Körnern begrenzte Lichtgrenze und die durch die Korngrenzen verursachte Licht, die durch die Second -Phase verursacht wird. Daher hat die PLZT eine gute Lichtübertragungsleistung. PLZT wird in Schutzbrillen häufig zur Abschirmung von Kernsexplosionsstrahlung, Fenstern schwerer Bomber, optischen Kommunikationsmodulatoren, holographischen Aufzeichnungsgeräten usw. verwendet.
. Nachdem die ZnO -Varistor -Keramik mit Seltenerdoxid dotiert warLa2o3ihr VlMA -Wert der Varistor -Spannung stieg signifikant an; Wenn die Dotierungsmenge von 0,1% auf 10% stieg, nahm der nichtlineare Koeffizient α der Keramik von 20 auf 1 ab und hatte im Grunde keine Varistor -Eigenschaften. Daher kann für ZnO-Keramiken das Doping von Seltenerdelementen mit geringer Konzentration ihren Varistor-Spannungswert erhöhen, hat jedoch nur geringe Auswirkungen auf den nichtlinearen Koeffizienten. und hohe Konzentrationsdoping zeigt keine Varistor-Eigenschaften.
.Sno2UndFe2o3und haben Abo3- und A2BO4 -Verbundoxidoxidmaterialien für Seltenerde erzeugt. Forschungsergebnisse zeigen, dass das Hinzufügen von Seltenerdoxiden zu ZnO seine Empfindlichkeit gegenüber Propylen erheblich verbessern kann. HinzufügenCEO2SNO2 kann ein gesintertes Element erzeugen, das für Ethanol empfindlich ist.
(4) Thermistorkeramik: Bariumtitanat (Batio3) ist die am häufigsten untersuchte und am häufigsten verwendete Thermistorkeramik. Wenn Spuren seltene Erdelemente wie LA, CE, SM, DY, Y usw. zu Batio3 hinzugefügt werden (die molare Atomfraktion wird auf 0,2% bis 0,3% kontrolliert), wird ein Teil von Ba2+ durch Re3+ ersetzt. Ein ähnlicher Radius ähnlich wie Ba2+, erzeugt überschüssige positive Ladungen, die schwach gebundene Elektrikeln durch TI4+ -Regelung bilden. Wenn der Dotierungsbetrag aufgrund der Bildung von Ba2+ -Löhen und dem Verschwinden von leitfähigen Trägern einen bestimmten Wert überschreitet, steigt der Widerstand des Keramiks stark und wird sogar ein Isolator.
. PD0.91LA0.09 (ZR0.65TI0.35) 0.98O3-KH2PO3 usw., um die Sensibilität der Luftfeuchtigkeit Keramik weiter zu verbessern, in Bezug auf Realismus und Stabilität, und um ihre Praktikabilität zu verbessern, ist auch notwendig, um den Einfluss des Einflusses von zu stärkenSeltene ErdeErgänzung zu den relevanten Eigenschaften der Keramik.
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Postzeit: Februar 06.06.2025