稀土对氧化铝陶瓷的性能影响分析

氧化铝陶瓷具有机械强度高、高硬度、耐磨耐腐蚀、耐高温、质量轻、绝缘性好等特点，广泛应用于纺织、煤炭、石油、化工、电子及建筑等行业，是一种成本低廉用途广泛的陶瓷材料。但因单纯的氧化铝陶瓷韧性差，强度和耐磨性有待提高，限制其应用领域进一步扩宽。利用多元相协同改性成为提高氧化铝陶瓷力学性能和耐磨性能的研究方向。

稀土阳离子半径较铝离子大很多，离子半径的差距使它们难以固溶，因此稀土元素主要存在氧化铝晶界上，并且具有玻璃网状结构的稀土氧化物体积较大，难以移动，阻碍了其他离子迁移，使晶界迁移速率降低，抑制晶粒畸形长大，使结构致密。掺入晶界玻璃相的稀土氧化物能够改善玻璃相的强度进而增强陶瓷的力学性能。稀土氧化物添加越多，降低烧结温度的效果越明显，但是过量的添加会使陶瓷力学性能变差。

对氧化铝陶瓷显微结构的影响

将La2O3、Y2O3、CeO2掺杂后，晶粒尺寸会减小，说明稀土氧化物有细化晶粒的作用，但是随着稀土氧化物掺量的增加，陶瓷晶粒尺寸都逐渐增大，同时，液相量也逐渐增加。这种现象可能的解释为：稀土离子由于离子半径较铝离子大很多，几乎不在氧化铝中固溶，主要存在于晶界玻璃相中，同时，具有玻璃网状结构的稀土氧化物阻碍了离子的迁移，抑制晶粒生长，细化了晶粒，但过量的稀土氧化物添加则会增加液相量降低液相粘度，促进离子迁移，使晶粒过分生长，晶粒尺寸变大。

对氧化铝陶瓷硬度的影响

用La2O3、Y2O3等稀土氧化物掺杂的氧化铝陶瓷硬度随着掺量的增加都呈现先增加后降低的趋势，有峰值存在，这种现象可能的原因是：适量的稀土氧化物添加可以细化晶粒，同时增加液相量，填充晶粒间隙，使致密度上升，硬度增加，但是随着稀土氧化物的过量添加，晶粒尺寸增大、间隙增多对致密度和硬度的负面作用难以抵消，表现为硬度逐渐降低。

对氧化铝陶瓷摩擦磨损性能的影响

王韬等研究发现，氧化铝陶瓷磨损表面经历了4个过程：晶粒的断裂和拔出、摩擦层形成、摩擦层面积增加和裂纹的增加，氧化铝陶瓷在磨损中脱落的晶粒会保留在摩擦界面上，在表面应力作用下形成光滑的摩擦层，摩擦层由两种对磨材料的磨屑组成，可以降低陶瓷的磨损率。氧化铝陶瓷磨损机制以磨粒磨损为主，适量的稀土氧化物掺杂可以提高陶瓷的耐磨性。

对氧化铝陶瓷相对密度的影响

经研究发现，随着掺杂量的不同，Y2O3、CeO2掺杂的氧化铝陶瓷相对密度都呈现先升高后降低的趋势。同时发现添加Y2O3的氧化铝陶瓷相对密度比掺杂CeO2和La2O3的氧化铝低。出现上述现象可以做如下解释：

（1）稀土离子的半径较大，很难与氧化铝形成固溶，主要存在于液相中，降低了液相粘度，同时，稀土氧化物能够促进氧化铝与其它添加剂组分的化学反应，增加液相量，添加少量稀土氧化物有利于液相的生成，加快气孔排除，提高陶瓷密度。

（2）高熔点的稀土氧化物添加提高了陶瓷烧结温度，同时稀土离子具有较大的离子半径，阻碍了其它离子的迁移，过量的添加稀土氧化物，不利于陶瓷烧结，使致密化程度降低。

结语

稀土是宝贵的资源，具有特殊的电子结构，利用其改性的氧化铝在催化材料，陶瓷材料等行业有重要用途。在稀土改性氧化铝中，要根据需要选择合适的稀土元素，同时也要注重不同稀土元素之间的复合，发挥出协调作用。

参考来源：

[1]史建公等.稀土元素对氧化铝性能影响的研究进展

[2]杨尚余等.稀土氧化物掺杂对氧化铝陶瓷力学性能和摩擦磨损性能的影响

[3]山川.粉体网