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鄒小姐：13326633089 -
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當我們想描述一項技術或原料很關鍵時，常常會用到“卡脖子”來形容，而“”就是一種可以說卡了全世界脖子的戰略資源。
決定全球電子行業命運的重要金屬——稀土
稀土非土，而是化學元素周期表上第III族的鈧、釔以及鑭系元素共17種金屬化學元素的合稱。它們常以單質或氧化物形式作為改性添加劑使用，有著無法取代的優良磁、光、電性能，對改善產品性能、提高生產效率起著重大的作用。小至耳機、手，大至電動汽車、風力發電機甚至戰斗機等，都能看到它們的身影，這就是稀土被稱為“工業味精”或“工業維生素”的原因。
一、稀土氧化物在陶瓷中的使用
對于特種陶瓷而言，稀土元素通常以氧化物的形式摻雜到陶瓷中，作為陶瓷燒結過程中的穩定劑和燒結助劑。稀土氧化物粉體與一般的氧化物相比，本身是比較具備活性的，這一特性在納米粒徑時更是凸顯。
實踐證明，少量的稀土氧化物添加即可明顯改善結構陶瓷的密度、強度、韌性、耐磨性等，降低燒結溫度，因此納米稀土氧化物作為改進陶瓷性能的重要元素，得到了廣泛應用。以下是稀土氧化鋁在各類特種陶瓷中使用的例子。
1、氧化鋁陶瓷
陶瓷作為工程陶瓷中最典型、應用最廣泛的材料，其優良性能取決干它穩定的化學成分和堅固的組織結構。氧化鋁陶瓷不僅有機械強度高、硬度大、耐高溫、導熱性好、電阻率高、介電損耗低等特性，它還具有耐腐蝕，重量輕，成本低廉等特點。這些優良性能使氧化鋁陶瓷的應用領域逐步拓寬，在某些領域甚至取代了常規材料，作為新型材料被開發利用。
氧化鋁陶瓷
（圖片來源：AssociatedCeramics）
氧化鋁陶瓷中，可加入的稀土氧化物有Y2O3、La2O3、Sm2O3等，穆柏春、孫旭東以CaO-Al2O3-SiO2體系為基體，以La2O3和Y2O3為稀土添加劑制備試樣，比較了一種稀土的摻雜和兩種共摻的差異。研究表明：La2O3和Y2O3的摻雜都可以降低燒結溫度；稀土氧化物主要偏聚在晶界處；同時加入兩種稀土的陶瓷抗彎強度和斷裂韌性分別提高了1.8和2.08倍。
其作用機制可歸納為：
①稀土氧化物可以促進Al2O3與其他燒結助劑組分反應生成熔點較低的液態相，通過晶粒間隙的毛細管作用，利用液相填充空隙，使陶瓷致密化。
②稀土陽離子半徑較鋁離子大很多，離子半徑的差距使它們難以固溶，因此稀土元素主要存在Al2O3晶界上，并且具有玻璃網狀結構的稀土氧化物體積較大，難以移動，阻礙了其他離子遷移，使晶界遷移速率降低，抑制晶粒畸形長大，使結構致密。
2、氮化硅陶瓷
陶瓷具有優良的機械性能、化學性能和物理性能，是一種重要的結構陶瓷。近年來，氮化硅陶瓷在化工、冶金、航天等領域的應用日益廣泛。但是氮化硅是強共價鍵化合物，自擴散系數低，并且在1600℃就明顯分解。如果不添加助燒劑，純氮化硅幾乎不可能燒結。
氮化硅陶瓷
（圖片來源：LSP Industrial Ceramics）
除此之外，氮化硅在陶瓷基板上的應用是近年的熱門話題，但受限于其熱導率一直難以實用。導致氮化硅熱導率低的因素有晶粒缺陷、晶界相和雜質等，針對這幾點，為了盡可能大的降低成本，現階段通常從提高燒結溫度和時間、采用流延法定向排布、選取合適的原料、選取合適的燒結助劑等方面進行解決。其中，選取合適的燒結助劑是提高氮化硅陶瓷熱導率的有效辦法，稀土氧化物也因此備受重視。
目前，氮化硅中最為常見的MeO-Re2O3添加劑。張潔等研究了稀土氧化物（Y2O3、CeO2和La2O3）及CaO、MgO對氮化硅陶瓷的熱導率及電學和機械性能的影響，其采用SPS燒結，發現Y2O3-MgO燒結添加劑，可以得到熱導率高于80 W/（m.K）、抗彎強度大于1000 Mpa的氮化硅陶瓷，其熱導率隨著稀土元素陽離子半徑的增大而減小。值得一提的是，Zhou You等采用SRBSN工藝，以Si粉為原料，以MgO-Y2O3為燒結添加劑獲得了177W/（m.K）熱導率的氮化硅陶瓷，這也是目前為止有報道過的最高的氮化硅熱導率。
不同助劑含量（左：3%；右：5%）的氮化硅SEM斷口形貌
其作用機制可歸納為：
①稀土氧化物和氮化鋁表面的 Al2O3發生反應，形成了液態的玻璃相，提供液相環境，促進燒結，改善組織的致密度，提高其相對密度。
②稀土氧化物與氮化鋁中氧雜質反應形成鋁酸鹽，在晶界處大量集聚，抑制氧進入到晶格，減少缺陷使組織致密化，減少聲子的散射，增大聲子的平均自由程，提高熱導率。
③稀土氧化物可將氮化鋁陶瓷晶格中固溶的氧置換出來，從而可改善陶瓷的晶體缺陷，減少鋁空位，增加聲子的平均自由程，提高熱導率。
3、氧化鋯陶瓷
陶瓷是一種以ZrO2為主要成分的新型結構陶瓷，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、高強度等優良的力學性能，尤其是它的抗彎強度和斷裂韌性較高，是所有陶瓷中最高的，與鐵及硬質合金相當，因此應用范圍相當廣泛。
氧化鋯陶瓷
（圖片來源：LSP Industrial Ceramics）
氧化鋯晶體有 3種結構不同的物相，即單斜相、四方相和立方相，分別在 1170 ℃、2370 ℃發生物相轉變，3種不同物相所得溫度不同，易導致其強度和韌性的差異。隨著四方相的增多，材料的相變增韌作用明顯；完全是四方相時，氧化鋯陶瓷材料的斷裂韌性最高；立方相出現后，材料的強度和斷裂韌性會減弱。為了抑制氧化鋯的相變，讓上述3種物相均可穩定保留至室溫，就需要稀土氧化物的出手。
其作用機制可概括為：
①稀土元素的離子半徑比鋯離子半徑大，可有效地穩定氧化鋯，降低其表面能，從而使陶瓷在較低的溫度便可完成致密化燒結；
②稀土氧化物摻入到氧化錯晶格里，因外來離子的介入會使氧化鋯的晶格畸變增大，利于物質擴散和燒結，易形成致密的顯微組織。由聲子導熱理論可知，致密性提高，氣孔減少，對聲子的散射減小，聲子的平均自由程增加，熱導率升高。
③稀土氧化物可與氧化鋯形置換固溶體，達到固溶強化的效果，從而提高陶瓷性能。
4、碳化硅陶瓷
陶瓷具有耐高溫、抗熱震、耐腐蝕、耐磨損、熱傳導性良好及質量輕等特點，是常用的高溫結構陶瓷。碳化硅（SiC）有高溫穩定型α-SiC和低溫穩定型β-SiC兩種晶型，約在2 100℃時β-SiC以很低的速率向α-SiC轉化。碳化硅的自擴散系數小，在不添加燒結助劑的情況下很難燒結，即使在高溫高壓下，也很難燒結出致密的組織。
碳化硅陶瓷
（圖片來源：Ortech Ceramics）
稀土氧化物等的燒結助劑的加入可形成液相，降低燒結溫度，促進燒結體組織致密化，且能改善碳化硅的純度、粒度和相組成。例如，復合添加Sc2O3和AlN后，燒結制備的碳化硅晶界處沒有玻璃相，很潔凈，但其強度和韌性很低；而添加Al2O3-Y2O3不僅可以提高碳化硅陶瓷的致密性，而且可改善陶瓷的脆韌性、強度和硬度等。
其作用機制可歸納為：
①稀土氧化物可與碳化硅陶瓷中的雜質反應形成液相，加快擴散速率，降低燒結溫度，液相環境對碳化硅晶格還具有活化作用，從而可有效促進碳化硅陶瓷的燒結。
②稀土氧化物與碳化硅形成固溶體，使碳化硅晶界處減少或消除玻璃相，具有凈化作用，還能降低晶界能，從而促進燒結。
③添加稀土氧化物利于促使碳化硅陶瓷組織中形成片狀或等軸狀晶粒，從而可提高陶瓷的力學性能。
④添加稀土氧化物可使碳化硅陶瓷通過裂紋偏轉和晶粒橋聯達到增韌的效果，提高性能。
5、在AlN陶瓷中的應用
（AlN）為六方纖鋅礦結構，具有良好的抗熱震性、絕緣體、熱膨脹系數低和力學性能，理論熱導率達320 W·m-1·K-1，即使在特殊氣氛中也有優異的耐高溫性能，是理想的大規模集成電路基板和封裝材料，但其抗氧化性極差。
不過由于AlN 是共價鍵，燒結非常困難，而單一的燒結助劑降低燒成溫度的程度有限，故通常使用復合助劑（稀土金屬氧化物和堿土金屬氧化物）作為燒結助劑以形成液相促進燒結。雖然理論上氮化鋁想獲得高熱導率，材料中應盡可能減少添加劑，但實際研究發現，添加少量的稀土氧化物，既有利于激發其達到理論熱導率，還可有效地促進氮化鋁陶瓷的燒結。
氮化鋁基板
（圖片來源：MARUWA）
姚義俊等在1950℃保溫2 h制備氮化鋁陶瓷。研究表明添加質量分數3%的Er2O3可使陶瓷的相對密度由90.7%增加到99.1%，熱導率由45.7 W·m-1·K-1升高到115.4 W·m-1·K-1；而添加質量分數3%的Dy2O3時，其相對密度由90.7%迅速提高到99.4%，熱導率也由45.7 W·m-1.·K-1增加到84.1 W·m-1.·K-1。
其作用機制可歸納為：
①稀土氧化物和氮化鋁表面的 Al2O3發生反應，形成了液態的玻璃相，提供液相環境，促進燒結，改善組織的致密度，提高其相對密度。
②稀土氧化物與氮化鋁中氧雜質反應形成鋁酸鹽，在晶界處大量集聚，抑制氧進入到晶格，減少缺陷使組織致密化，減少聲子的散射，增大聲子的平均自由程，提高熱導率。
③稀土氧化物可將氮化鋁陶瓷晶格中固溶的氧置換出來，從而可改善陶瓷的晶體缺陷，減少鋁空位，增加聲子的平均自由程，提高熱導率。
二、納米稀土氧化物的使用注意事項
隨著下游要求的提高，納米稀土氧化物使用越來越多。納米稀土氧化物如何使用得當，是生產廠商相當重要的課題。以下是一些納米稀土氧化物的挑選與使用注意事項：
1.合適的包裝方式
大部分的納米稀土氧化物都容易受潮，部分容易吸收CO2，甚至有些會水氣與CO2同時吸收，而反應成碳酸鹽類。這樣會讓稀土的特性變化，也造成元件的生產質量不穩定。因此使用前后，都需要選擇合適的包裝方式，以確保納米稀土氧化物粉的穩定。
2.合適的分散處理
納米陶瓷粉體都容易發生凝團，稀土氧化物也不例外.要克服納米稀土氧化物的凝聚問題，不外乎：
①在制漿料時，添加適合的分散劑。
②選擇合適的球磨或攪拌制程。
③從粉體根本解決，把粉體進行合適的表面處理，讓粉不發生團聚并輕易分散在漿料中。
納米稀土氧化物因粉體本身的表面狀況，容易受環境與水等影響，因此表面處理技術比一般的氧化物粉體來得高難度。另外，由于納米稀土氧化物的高單價，以及微量添加就會讓特性有顯著的變化，因此讓納米稀土氧化物，可以均勻分散在鈦酸鋇或其他的陶瓷粉中，更顯得重要。讓納米稀土氧化物分散均勻，除了可以更確保質量與良率外，添加量也可大幅下降，是一舉兩得的好作法。
資料來源：
稀土氧化物在陶瓷材料中的應用研究新進展，尹月，馬北越，厲英，于景坤。
稀土氧化物復合ZrO2陶瓷的制備及應用研究進展，吳龍，吳迪，葉信宇，楊斌。
稀土改性高強韌高熱導氮化硅陶瓷，魯欣欣。
稀土氧化物在氮化硅陶瓷中應用的研究進展，畢紅雨，張偉儒，孫峰，高增麗。
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