隨著現代科技的進步，高端技術領域對高性能陶瓷的需求日益增加，且對陶瓷材料的性能提出更嚴格的要求，因此，如何改善陶瓷材料的整體使用性能備受關注。將豐富的稀土資源在陶瓷材料中實現新的應用途徑，達到提高稀土資源的戰略價值和改善陶瓷材料性能的雙重目的，顯得尤為重要。
稀土被稱為新材料的“寶庫”，由于具有獨特的4f電子結構和物理化學性質，自20世紀60年代被應用于改性技術以來，取得了許多令人滿意的成果。但研究中極少直接使用純稀土金屬，絕大多數使用稀土化合物，常見的幾種化合物有：CeO2、La2O3、Y2O3、LaF3、CeF、CeS及稀土硅鐵等。這些稀土化合物對陶瓷材料和陶瓷涂層的組織結構及性能均有改善作用。
稀土氧化物對陶瓷涂層性能的影響
現有研究表明，稀土元素能夠細化組織晶粒，提高致密度，改善顯微組織，凈化界面。對改善陶瓷涂層的強度、韌性、硬度、耐磨和耐蝕性等方面都有獨到的作用，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用范圍
01稀土氧化物改善陶瓷涂層力學性能
稀土氧化物能夠顯著提高陶瓷涂層的硬度、抗彎強度及涂層的抗拉結合強度。加入適量的稀土氧化物，可提高涂層的致密度，使孔洞變小且呈彌散狀分布，使孔洞邊緣的應力集中程度減小，涂層抗拉結合強度提高。如加入Y2O3、La2O3等其他稀土氧化物對于陶瓷涂層的硬度均有改善作用，但稀土氧化物的添加不是越多越好，而是隨稀土含量的增加，陶瓷涂層的硬度呈先升后降的趨勢。
02稀土對陶瓷涂層抗熱震性能的改善
CeO2添加劑對等離子ZrO2涂層抗熱震性的影響，結果發現，隨著添加劑CeO2的加入量增加，起裂次數和失效次數提高。在Al2O3陶瓷涂層中加入LaO2后，涂層的孔隙率有所降低，結合強度和涂層熱震失效壽命均能明顯提高。
03稀土氧化物對涂層耐磨性能的影響
用于改善陶瓷涂層耐磨性的稀土氧化物多為CeO和La2O3 ，其具有的六方層狀結構能表現出良好的潤滑功能，并在高溫下保持穩定的化學性能，能夠有效地提高耐磨性，降低摩擦系數。摻雜稀土的涂層微觀結構更加密集、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；摻雜稀土還會增大金屬陶瓷的晶面距離，導致相互作用的兩晶面作用力變化而降低摩擦因數。
04稀土氧化物對涂層耐蝕性能的影響
經研究表明，在ZrO2–Y2O3陶瓷涂層中添加一定量的CeO2 ，耐堿腐蝕性能有一定的提升；添加稀土CeO2 的激光熔覆層其耐蝕性比不加稀土的提高近1.5倍；當其加入量超過0.6%時，熔覆層的耐蝕性有下降的趨勢。可見，只有加入適量的稀土氧化物，才能有效地提高熔覆層的耐蝕性。
稀土氧化物的作用機理
稀土對金屬陶瓷涂層微觀組織改性作用主要表現在細化晶粒、凈化組織、產生固溶強化和彌散強化等方面。
01細化晶粒
由于具有較強化學活性的稀土氧化物容易與其它元素(如硫、氧、硅、氮等雜質元素)發生化學反應，形成穩定的高熔點化合物，成為結晶晶核，從而增加形核質點數。并且稀土與原料產生新的物質或第二相，易鑲嵌在晶界上，可以阻礙晶粒在高溫燒結中的異常長大，從而獲得細小且均勻的晶粒。此外，稀土元素可促進涂層枝晶的形成，利于枝晶熔斷，枝晶間隙減小，涂層組織均勻致密。
此外，密度大而細小的晶粒，使得位錯塞積數減少，應力集中降低，減少裂紋形核和擴展的幾率，而且晶界增多，也增大了裂紋擴展的阻力，使得材料抗疲勞磨損能力提高。
02凈化組織
稀土元素對陶瓷涂層及陶瓷材料具有凈化組織的作用。一方面，稀土元素易與硫、氧、硅、氮等有害雜質反應，生成高熔點的化合物，上浮變成溶渣排出，減少涂層中的有害夾雜物；另一方面，稀土元素的添加可以增加液態金屬的流動性，加上顆粒之間的毛細作用，促使顆粒間的物質向孔隙處填充，減少涂層組織疏松和氣孔等缺陷。此外，稀土元素使涂層組織中夾雜物體積變小，形狀變圓，并成彌散分布，減少夾雜物對涂層性能的危害。稀土的凈化作用使得材料的組織更加致密，有利于提高陶瓷材料的強度和陶瓷涂層的結合強度。
此外，從摩擦化學角度來看。稀土元素對表面氧化膜有重要影響。有研究表明，稀土化合物CeO2 在摩擦過程中就促進了表面上氧化物反應膜的形成，從而有利于減輕摩擦副間的粘著，降低了磨損。其次，稀土的存在增強了氧化膜的粘附性，同時也將阻礙氧化過程的繼續進行。
總結
盡管稀土氧化物在陶瓷材料及涂層的應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性能，但仍有許多未被人們認識的性質，特別是在減輕摩擦磨損方面的作用機理更有待于進一步探究。如何使材料強度和耐磨性與其潤滑性能協同配合，已成為摩擦學領域值得探討的重要方向。
參考來源：
[1]董世知.稀土氧化物在陶瓷涂層中的應用
[2]尹月.稀土氧化物在陶瓷材料中的應用硏究新進展
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