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

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。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，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構及性能均有改善作用。

一、稀土氧化物在陶瓷材料中的應用

將稀土元素作為穩定劑、燒結助劑加入到不同的陶瓷中，可以降低其燒結溫度、提高和改善某些結構陶瓷的強度、韌性，從而降低生產成本。同時，稀土元素在半導體氣敏元件、微波介質、壓電陶瓷等功能陶瓷中也起到了非常重要的作用。研究發現，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。經優化試驗得到Y2O3+CeO2的效果最好，在1490℃條件下添加0.2%Y2O3+0.2%CeO2，燒結的樣品相對密度可達96.2%，超過單獨添加任一種稀土氧化物Y2O3或者CeO2樣品的密度。

La2O3+Y2O3、Sm2O3+La2O3促進燒結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和性能提高更為有利，但其中的原理尚待研究。

另有研究發現添加混合稀土金屬氧化物作為燒結助劑有利于提高物質的遷移，促進MgO陶瓷的燒結，提高致密度。但當混合金屬氧化物的添加量大于15%時，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。

1

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。實驗發現，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度，當LaO2加入量為6.0%(質量分數)時最佳，抗拉結合強度可達到27.36MPa。在Cr2O3材料中加入質量分數為3.0%和6.0%的CeO2后，涂層的抗拉結合強度在18~25MPa之間，均大于原先的12~16MPa；但CeO2的加入量為9.0%時，抗拉結合強度反而降為12~15MPa。

2

稀土對陶瓷涂層抗熱震性能的改善

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

研究表明，加入3.0%CeO2可降低涂層中的孔隙率和孔洞尺寸，減少涂層內應力在孔隙邊緣的應力集中，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，結合強度和涂層熱震失效壽命均能明顯提高。當LaO2加入量為6%(質量分數)時，涂層的抗熱震性能最好，熱震失效壽命可達到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。

研究表明，添加適量CeO2的涂層摩擦系數較小且穩定。有報道表明，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，且摩擦系數穩定，波動較小。不含稀土的熔覆層磨損表面呈現嚴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。

小結：

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，但仍有許多未知的性質，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。