陶瓷和金屬材料、高分子材料并列為當(dāng)代固體三大材料。由于陶瓷的原子結(jié)合方式是鍵能較大的離子鍵、共價(jià)鍵或離子–共價(jià)混合鍵，所以具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等許多優(yōu)良性質(zhì)。陶瓷涂層更因其能改變底材外表面的形貌、結(jié)構(gòu)和性能，賦予涂層–底材復(fù)合體以新的性能而備受青睞，它能夠有機(jī)地將底材原有特性和陶瓷材料的耐高溫、高耐磨、高耐蝕等特點(diǎn)結(jié)合起來，并發(fā)揮兩類材料的綜合優(yōu)勢而在航天、航空、國防、化工等工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

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)。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，最常見的幾種化合物有：CeO2、La2O3、Y2O3、LaF3、CeF、CeS及稀土硅鐵。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。

一、稀土氧化物在陶瓷材料中的應(yīng)用

將稀土元素作為穩(wěn)定劑、燒結(jié)助劑加入到不同的陶瓷中，可以降低其燒結(jié)溫度、提高和改善某些結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)度、韌性，從而降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，稀土元素在半導(dǎo)體氣敏元件、微波介質(zhì)、壓電陶瓷等功能陶瓷中也起到了非常重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，某2種或2種以上稀土氧化物一起添加到氧化鋁陶瓷中，比單一稀土氧化物添加到氧化鋁陶瓷中的效果要好。經(jīng)優(yōu)化試驗(yàn)得到Y(jié)2O3+CeO2的效果最好，在1490℃條件下添加0.2%Y2O3+0.2%CeO2，燒結(jié)的樣品相對密度可達(dá)96.2%，超過單獨(dú)添加任一種稀土氧化物Y2O3或者CeO2樣品的密度。

La2O3+Y2O3、Sm2O3+La2O3促進(jìn)燒結(jié)的效果也比添加單一的要好，且耐磨性能明顯提高。這也說明了2種稀土氧化物的混合不是簡單的量的加和，它們之間存在相互作用，這種相互作用對氧化鋁陶瓷的燒結(jié)和性能提高更為有利，但其中的原理尚待研究。

另有研究發(fā)現(xiàn)添加混合稀土金屬氧化物作為燒結(jié)助劑有利于提高物質(zhì)的遷移，促進(jìn)MgO陶瓷的燒結(jié)，提高致密度。但當(dāng)混合金屬氧化物的添加量大于15%時(shí)，相對密度降低，開氣孔率提高。

二、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。

1

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。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在Al2O3+3%TiO2材料中采用LaO2做添加劑，可有效提高涂層的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)LaO2加入量為6.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)最佳，抗拉結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)到27.36MPa。在Cr2O3材料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%和6.0%的CeO2后，涂層的抗拉結(jié)合強(qiáng)度在18~25MPa之間，均大于原先的12~16MPa；但CeO2的加入量為9.0%時(shí)，抗拉結(jié)合強(qiáng)度反而降為12~15MPa。

2

稀土對陶瓷涂層抗熱震性能的改善

抗熱震試驗(yàn)是定性反映涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和涂層與基體熱膨脹系數(shù)匹配的重要試驗(yàn)，直接反映涂層材料在使用過程中、溫度交替變化時(shí)涂層抗剝離的能力，也從側(cè)面反映了涂層材料抵抗機(jī)械沖擊疲勞的能力和與基體的結(jié)合能力，因此也是判斷陶瓷涂層質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素。

研究表明，加入3.0%CeO2可降低涂層中的孔隙率和孔洞尺寸，減少涂層內(nèi)應(yīng)力在孔隙邊緣的應(yīng)力集中，從而提高Cr2O3涂層的抗熱震性。而在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。當(dāng)LaO2加入量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，涂層的抗熱震性能最好，熱震失效壽命可達(dá)到218次，而未添加LaO2的涂層熱震失效壽命僅為163次。

3

稀土氧化物影響涂層的耐磨性能

用于改善陶瓷涂層耐磨性的稀土氧化物多為CeO2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)。

研究表明，添加適量CeO2的涂層摩擦系數(shù)較小且穩(wěn)定。有報(bào)道表明，在等離子噴涂鎳基金屬陶瓷涂層中添加La2O3，可以明顯地減小摩擦磨損及涂層的摩擦因數(shù)，且摩擦系數(shù)穩(wěn)定，波動(dòng)較小。不含稀土的熔覆層磨損表面呈現(xiàn)嚴(yán)重的粘著和脆性斷裂剝落跡象，而含稀土的涂層其磨損表面粘著跡象較微弱，未見大面積脆性剝落跡象。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，使摩擦磨損減小；摻雜稀土還會(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)。

小結(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，但仍有許多未知的性質(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。