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稀土氧化物在陶瓷涂层中的影响力有多大?

日期: 2019-01-14
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陶瓷和金属材料、高分子材料并列为当代固体三大材料。由于陶瓷的原子结合方式是键能较大的离子键、共价键或离子共价混合键,所以具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等许多优良性质。陶瓷涂层更因其能改变底材外表面的形貌、结构和性能,赋予涂层底材复合体以新的性能而备受青睐,它能够有机地将底材原有特性和陶瓷材料的耐高温、高耐磨、高耐蚀等特点结合起来,并发挥两类材料的综合优势而在航天、航空、国防、化工等工业得到广泛的应用。

稀土氧化物在陶瓷涂层中的影响力有多大?

 

稀土被称为新材料的“宝库”,由于具有独特的4f电子结构和物理化学性质。但研究中极少直接使用纯稀土金属,绝大多数使用稀土化合物,最常见的几种化合物有:CeO2La2O3Y2O3LaF3CeF、CeS及稀土硅铁。这些稀土化合物对陶瓷材料和陶瓷涂层的组织结构及性能均有改善作用。

 

一、稀土氧化物在陶瓷材料中的应用

 

将稀土元素作为稳定剂、烧结助剂加入到不同的陶瓷中,可以降低其烧结温度、提高和改善某些结构陶瓷的强度、韧性,从而降低生产成本。同时,稀土元素在半导体气敏元件、微波介质、压电陶瓷等功能陶瓷中也起到了非常重要的作用。研究发现,某2种或2种以上稀土氧化物一起添加到氧化铝陶瓷中,比单一稀土氧化物添加到氧化铝陶瓷中的效果要好。经优化试验得到Y2O3+CeO2的效果最好,在1490℃条件下添加0.2%Y2O3+0.2%CeO2,烧结的样品相对密度可达96.2%,超过单独添加任一种稀土氧化物Y2O3或者CeO2样品的密度。

 

La2O3+Y2O3Sm2O3+La2O3促进烧结的效果也比添加单一的要好,且耐磨性能明显提高。这也说明了2种稀土氧化物的混合不是简单的量的加和,它们之间存在相互作用,这种相互作用对氧化铝陶瓷的烧结和性能提高更为有利,但其中的原理尚待研究。

稀土氧化物在陶瓷涂层中的影响力有多大?

 

另有研究发现添加混合稀土金属氧化物作为烧结助剂有利于提高物质的迁移,促进MgO陶瓷的烧结,提高致密度。但当混合金属氧化物的添加量大于15%时,相对密度降低,开气孔率提高。

 

二、稀土氧化物对陶瓷涂层性能的影响

 

现有研究表明,稀土元素能够细化组织晶粒,提高致密度,改善显微组织,净化界面。对改善陶瓷涂层的强度、韧性、硬度、耐磨和耐蚀性等方面都有独到的作用,在一定程度上改善了陶瓷涂层的性能,拓宽了陶瓷涂层的应用范围。

 

1稀土氧化物改善陶瓷涂层力学性能

稀土氧化物能够显著提高陶瓷涂层的硬度、抗弯强度及涂层的抗拉结合强度。实验发现,在Al2O3+3%TiO2材料中采用LaO2做添加剂,可有效提高涂层的抗拉强度,当LaO2加入量为6.0%(质量分数)时最佳,抗拉结合强度可达到27.36MPa。在Cr2O3材料中加入质量分数为3.0%6.0%CeO2后,涂层的抗拉结合强度在18~25MPa之间,均大于原先的12~16MPa;但CeO2的加入量为9.0%时,抗拉结合强度反而降为12~15MPa

 

2稀土对陶瓷涂层抗热震性能的改善

抗热震试验是定性反映涂层与基体的结合强度和涂层与基体热膨胀系数匹配的重要试验,直接反映涂层材料在使用过程中、温度交替变化时涂层抗剥离的能力,也从侧面反映了涂层材料抵抗机械冲击疲劳的能力和与基体的结合能力,因此也是判断陶瓷涂层质量好坏的关键因素。

稀土氧化物在陶瓷涂层中的影响力有多大?

 

研究表明,加入3.0%CeO2可降低涂层中的孔隙率和孔洞尺寸,减少涂层内应力在孔隙边缘的应力集中,从而提高Cr2O3涂层的抗热震性。而在Al2O3陶瓷涂层中加入LaO2后,涂层的孔隙率有所降低,结合强度和涂层热震失效寿命均能明显提高。当LaO2加入量为6%(质量分数)时,涂层的抗热震性能最好,热震失效寿命可达到218次,而未添加LaO2的涂层热震失效寿命仅为163次。

 

3稀土氧化物影响涂层的耐磨性能

用于改善陶瓷涂层耐磨性的稀土氧化物多为CeO2La2O3,其具有的六方层状结构能表现出良好的润滑功能,并在高温下保持稳定的化学性能,能够有效地提高耐磨性,降低摩擦系数。

 

稀土氧化物在陶瓷涂层中的影响力有多大?

 

研究表明,添加适量CeO2的涂层摩擦系数较小且稳定。有报道表明,在等离子喷涂镍基金属陶瓷涂层中添加La2O3,可以明显地减小摩擦磨损及涂层的摩擦因数,且摩擦系数稳定,波动较小。不含稀土的熔覆层磨损表面呈现严重的粘着和脆性断裂剥落迹象,而含稀土的涂层其磨损表面粘着迹象较微弱,未见大面积脆性剥落迹象。掺杂稀土的涂层微观结构更加密集、紧凑,孔洞减少,减小了微观粒子平均承受的摩擦力,使摩擦磨损减小;掺杂稀土还会增大金属陶瓷的晶面距离,导致相互作用的两晶面作用力变化而降低摩擦因数。

 

小结:

 

尽管稀土氧化物在陶瓷材料及涂层的应用方面取得了较大的成绩,能够有效地改善陶瓷材料及涂层的微观组织和力学性能,但仍有许多未知的性质,特别是在减轻摩擦磨损方面的作用机理更有待于进一步探究。如何使材料强度和耐磨性与其润滑性能协同配合,已成为摩擦学领域值得探讨的重要方向。

部分资料来源:《稀土氧化物在陶瓷涂层中的应用》


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