随着现代科技的进步，高端技术领域对高性能陶瓷的需求日益增加，且对陶瓷材料的性能提出更严格的要求，因此，如何改善陶瓷材料的整体使用性能备受关注。将丰富的稀土资源在陶瓷材料中实现新的应用途径，达到提高稀土资源的战略价值和改善陶瓷材料性能的双重目的，显得尤为重要。
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，自20世纪60年代被应用于改性技术以来，取得了许多令人满意的成果。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，常见的几种化合物有：CeO2、La2O3、Y2O3、LaF3、CeF、CeS及稀土硅铁等。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。
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。
01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。加入适量的稀土氧化物，可提高涂层的致密度，使孔洞变小且呈弥散状分布，使孔洞边缘的应力集中程度减小，涂层抗拉结合强度提高。如加入Y2O3、La2O3等其他稀土氧化物对于陶瓷涂层的硬度均有改善作用，但稀土氧化物的添加不是越多越好，而是随稀土含量的增加，陶瓷涂层的硬度呈先升后降的趋势。
02稀土对陶瓷涂层抗热震性能的改善
CeO2添加剂对等离子ZrO2涂层抗热震性的影响，结果发现，随着添加剂CeO2的加入量增加，起裂次数和失效次数提高。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。
03稀土氧化物对涂层耐磨性能的影响
用于改善陶瓷涂层耐磨性的稀土氧化物多为CeO和La2O3 ，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。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。
04稀土氧化物对涂层耐蚀性能的影响
经研究表明，在ZrO2–Y2O3陶瓷涂层中添加一定量的CeO2 ，耐碱腐蚀性能有一定的提升；添加稀土CeO2 的激光熔覆层其耐蚀性比不加稀土的提高近1.5倍；当其加入量超过0.6%时，熔覆层的耐蚀性有下降的趋势。可见，只有加入适量的稀土氧化物，才能有效地提高熔覆层的耐蚀性。
稀土氧化物的作用机理
稀土对金属陶瓷涂层微观组织改性作用主要表现在细化晶粒、净化组织、产生固溶强化和弥散强化等方面。
01细化晶粒
由于具有较强化学活性的稀土氧化物容易与其它元素(如硫、氧、硅、氮等杂质元素)发生化学反应，形成稳定的高熔点化合物，成为结晶晶核，从而增加形核质点数。并且稀土与原料产生新的物质或第二相，易镶嵌在晶界上，可以阻碍晶粒在高温烧结中的异常长大，从而获得细小且均匀的晶粒。此外，稀土元素可促进涂层枝晶的形成，利于枝晶熔断，枝晶间隙减小，涂层组织均匀致密。
此外，密度大而细小的晶粒，使得位错塞积数减少，应力集中降低，减少裂纹形核和扩展的几率，而且晶界增多，也增大了裂纹扩展的阻力，使得材料抗疲劳磨损能力提高。
02净化组织
稀土元素对陶瓷涂层及陶瓷材料具有净化组织的作用。一方面，稀土元素易与硫、氧、硅、氮等有害杂质反应，生成高熔点的化合物，上浮变成溶渣排出，减少涂层中的有害夹杂物；另一方面，稀土元素的添加可以增加液态金属的流动性，加上颗粒之间的毛细作用，促使颗粒间的物质向孔隙处填充，减少涂层组织疏松和气孔等缺陷。此外，稀土元素使涂层组织中夹杂物体积变小，形状变圆，并成弥散分布，减少夹杂物对涂层性能的危害。稀土的净化作用使得材料的组织更加致密，有利于提高陶瓷材料的强度和陶瓷涂层的结合强度。
此外，从摩擦化学角度来看。稀土元素对表面氧化膜有重要影响。有研究表明，稀土化合物CeO2 在摩擦过程中就促进了表面上氧化物反应膜的形成，从而有利于减轻摩擦副间的粘着，降低了磨损。其次，稀土的存在增强了氧化膜的粘附性，同时也将阻碍氧化过程的继续进行。
总结
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，但仍有许多未被人们认识的性质，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。
参考来源：
[1]董世知.稀土氧化物在陶瓷涂层中的应用
[2]尹月.稀土氧化物在陶瓷材料中的应用硏究新进展
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