隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，高端技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芴沾傻男枨笕找嬖黾?，且對陶瓷材料的性能提出更?yán)格的要求，因此，如何改善陶瓷材料的整體使用性能備受關(guān)注。將豐富的稀土資源在陶瓷材料中實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用途徑，達(dá)到提高稀土資源的戰(zhàn)略價(jià)值和改善陶瓷材料性能的雙重目的，顯得尤為重要。

稀土被稱為新材料的“寶庫”，由于具有獨(dú)特的4f電子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，自20世紀(jì)60年代被應(yīng)用于改性技術(shù)以來，取得了許多令人滿意的成果。但研究中極少直接使用純稀土金屬，絕大多數(shù)使用稀土化合物，常見的幾種化合物有：CeO2、La2O3、Y2O3、LaF3、CeF、CeS及稀土硅鐵等。這些稀土化合物對陶瓷材料和陶瓷涂層的組織結(jié)構(gòu)及性能均有改善作用。

稀土氧化物對陶瓷涂層性能的影響

現(xiàn)有研究表明，稀土元素能夠細(xì)化組織晶粒，提高致密度，改善顯微組織，凈化界面。對改善陶瓷涂層的強(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨和耐蝕性等方面都有獨(dú)到的作用，在一定程度上改善了陶瓷涂層的性能，拓寬了陶瓷涂層的應(yīng)用范圍

01稀土氧化物改善陶瓷涂層力學(xué)性能

稀土氧化物能夠顯著提高陶瓷涂層的硬度、抗彎強(qiáng)度及涂層的抗拉結(jié)合強(qiáng)度。加入適量的稀土氧化物，可提高涂層的致密度，使孔洞變小且呈彌散狀分布，使孔洞邊緣的應(yīng)力集中程度減小，涂層抗拉結(jié)合強(qiáng)度提高。如加入Y2O3、La2O3等其他稀土氧化物對于陶瓷涂層的硬度均有改善作用，但稀土氧化物的添加不是越多越好，而是隨稀土含量的增加，陶瓷涂層的硬度呈先升后降的趨勢。

02稀土對陶瓷涂層抗熱震性能的改善

CeO2添加劑對等離子ZrO2涂層抗熱震性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著添加劑CeO2的加入量增加，起裂次數(shù)和失效次數(shù)提高。在Al2O3陶瓷涂層中加入LaO2后，涂層的孔隙率有所降低，結(jié)合強(qiáng)度和涂層熱震失效壽命均能明顯提高。

03稀土氧化物對涂層耐磨性能的影響

用于改善陶瓷涂層耐磨性的稀土氧化物多為CeO和La2O3 ，其具有的六方層狀結(jié)構(gòu)能表現(xiàn)出良好的潤滑功能，并在高溫下保持穩(wěn)定的化學(xué)性能，能夠有效地提高耐磨性，降低摩擦系數(shù)。摻雜稀土的涂層微觀結(jié)構(gòu)更加密集、緊湊，孔洞減少，減小了微觀粒子平均承受的摩擦力，使摩擦磨損減?。粨诫s稀土還會(huì)增大金屬陶瓷的晶面距離，導(dǎo)致相互作用的兩晶面作用力變化而降低摩擦因數(shù)。

04稀土氧化物對涂層耐蝕性能的影響

經(jīng)研究表明，在ZrO2–Y2O3陶瓷涂層中添加一定量的CeO2 ，耐堿腐蝕性能有一定的提升；添加稀土CeO2 的激光熔覆層其耐蝕性比不加稀土的提高近1.5倍；當(dāng)其加入量超過0.6%時(shí)，熔覆層的耐蝕性有下降的趨勢?？梢姡挥屑尤脒m量的稀土氧化物，才能有效地提高熔覆層的耐蝕性。

稀土氧化物的作用機(jī)理

稀土對金屬陶瓷涂層微觀組織改性作用主要表現(xiàn)在細(xì)化晶粒、凈化組織、產(chǎn)生固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化等方面。

01細(xì)化晶粒

由于具有較強(qiáng)化學(xué)活性的稀土氧化物容易與其它元素(如硫、氧、硅、氮等雜質(zhì)元素)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的高熔點(diǎn)化合物，成為結(jié)晶晶核，從而增加形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)。并且稀土與原料產(chǎn)生新的物質(zhì)或第二相，易鑲嵌在晶界上，可以阻礙晶粒在高溫?zé)Y(jié)中的異常長大，從而獲得細(xì)小且均勻的晶粒。此外，稀土元素可促進(jìn)涂層枝晶的形成，利于枝晶熔斷，枝晶間隙減小，涂層組織均勻致密。

此外，密度大而細(xì)小的晶粒，使得位錯(cuò)塞積數(shù)減少，應(yīng)力集中降低，減少裂紋形核和擴(kuò)展的幾率，而且晶界增多，也增大了裂紋擴(kuò)展的阻力，使得材料抗疲勞磨損能力提高。

02凈化組織

稀土元素對陶瓷涂層及陶瓷材料具有凈化組織的作用。一方面，稀土元素易與硫、氧、硅、氮等有害雜質(zhì)反應(yīng)，生成高熔點(diǎn)的化合物，上浮變成溶渣排出，減少涂層中的有害夾雜物；另一方面，稀土元素的添加可以增加液態(tài)金屬的流動(dòng)性，加上顆粒之間的毛細(xì)作用，促使顆粒間的物質(zhì)向孔隙處填充，減少涂層組織疏松和氣孔等缺陷。此外，稀土元素使涂層組織中夾雜物體積變小，形狀變圓，并成彌散分布，減少夾雜物對涂層性能的危害。稀土的凈化作用使得材料的組織更加致密，有利于提高陶瓷材料的強(qiáng)度和陶瓷涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

此外，從摩擦化學(xué)角度來看。稀土元素對表面氧化膜有重要影響。有研究表明，稀土化合物CeO2 在摩擦過程中就促進(jìn)了表面上氧化物反應(yīng)膜的形成，從而有利于減輕摩擦副間的粘著，降低了磨損。其次，稀土的存在增強(qiáng)了氧化膜的粘附性，同時(shí)也將阻礙氧化過程的繼續(xù)進(jìn)行。

總結(jié)

盡管稀土氧化物在陶瓷材料及涂層的應(yīng)用方面取得了較大的成績，能夠有效地改善陶瓷材料及涂層的微觀組織和力學(xué)性能，但仍有許多未被人們認(rèn)識的性質(zhì)，特別是在減輕摩擦磨損方面的作用機(jī)理更有待于進(jìn)一步探究。如何使材料強(qiáng)度和耐磨性與其潤滑性能協(xié)同配合，已成為摩擦學(xué)領(lǐng)域值得探討的重要方向。

參考來源：

[1]董世知.稀土氧化物在陶瓷涂層中的應(yīng)用

[2]尹月.稀土氧化物在陶瓷材料中的應(yīng)用硏究新進(jìn)展

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