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    重要的稀土化合物:氧化釔粉體都有哪些用途?

                                                                                     

               稀土是一種極其重要的戰略資源,在工業生產中有著無可替代的作用,汽車玻璃、核磁共振、光纖、液晶顯示屏等等都離不開稀土的加入。其中,釔(Y)是稀土金屬元素之一,是一種灰色金屬。但由于它在地殼中的含量較多,因此價格相對便宜,且應用廣泛,在目前社會生產中主要以釔合金和氧化釔的狀態應用。

    金屬釔

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    其中,氧化釔(Y2O3)是最重要的釔化合物,它不溶于水和堿,溶于酸,外觀為白色結晶性粉末(晶體結構屬立方晶系),擁有非常好的化學穩定性及真空下低揮發性與高耐熱、耐腐蝕、高介電、透明(紅外線)等優點,因此在許多領域都得到了應用,具體有哪些呢?下面一起來看看。

    氧化釔的晶體結構

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                                                                   01    釔穩定氧化鋯粉合成

    由于純ZrO2從高溫冷卻到室溫的過程中將發生如下相變:立方相(c)→四方相(t)→單斜相(m),其中在1150℃會發生t→m相變,并伴隨著約5%的體積膨脹。但如果將ZrO2的t→m相變點穩定到室溫,使其在承載時由應力誘發產生t→m相變,由于相變產生的體積效應而吸收大量的斷裂能,從而使材料表現出異常高的斷裂能,從而使材料表現出異常高的斷裂韌度,產生相變增韌,獲得高韌性、高耐磨性。

    氧化鋯陶瓷

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    要實現氧化鋯的相變增韌,必須添加一定的穩定劑并在一定的燒成條件下,將高溫穩定相-四方亞穩定至室溫,獲得室溫下可相變的四方相,這就是穩定劑對氧化鋯的穩定作用。Y2O3是發展至今得到最多研究的氧化鋯穩定劑,燒結出來的Y-TZP材料具有優良的常溫力學性能,強度較高,具有良好的斷裂韌性,并且其集體中材料的晶粒尺寸細小而均勻,因此獲得較多關注。

                                                                                   02    助燒結劑

    許多特種陶瓷的燒結都需要助燒結劑的參與,助燒結劑的作用一般可分為以下幾個部分:與燒結物形成固溶體;阻止晶型轉變;抑制晶粒長大;產生液相。比如說氧化鋁的燒結,往往會加入氧化鎂MgO作為燒結過程中的顯微結構穩定劑,它可以細化晶粒,大大減小晶界能的差異,削弱晶粒生長的各向異性,抑制不連續的晶粒生長。由于MgO高溫揮發性較強,為了達到良好的效果,常將氧化釔同MgO混合引入,Y2O3可以起到細化晶粒,促進燒結致密化的作用。

                                                                         03   YAG粉體合成

    釔鋁石榴石(Y3Al5O12)是人造化合物,沒有天然礦物,無色,莫氏硬度可達到8.5,熔點為1950℃,不溶于硫酸、鹽酸、硝酸氫氟酸等。高溫固相法是制備YAG粉體的傳統方法,按照氧化釔和氧化鋁的二元相圖中得到的比例混合兩種粉體在高溫下焙燒,通過氧化物之間的固相反應形成YAG粉體。在高溫條件下,氧化鋁和氧化釔的反應中,會先生成中間相YAM和YAP,最終形成YAG。

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    YAG的應用很多,比如說它的Al-O鍵尺寸小,鍵能高,這種高鍵能恰好可以匹配熒光材料較高的真空能,即在較高的電子撞擊下,保持其光學性能穩定,把稀土元素引入可使熒光粉的發光性能有明顯的改善,而YAG通過摻雜Ce3+、Eu3+等三價稀土離子即可成為熒光粉。另外YAG晶體具有良好的透明度、物理化學性質非常穩定,機械強度高,具有良好的抗熱蠕變性,是一種應用廣泛、性能理想的激光晶體材料。

      YAG晶體

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                                                            04   透明陶瓷


    氧化釔一直是透明陶瓷領域中的研究重點,它屬立方晶系,具有光學性能的各軸同向性,與透光氧化鋁的異方性相比影像較不失真,因此逐漸被高階的鏡頭或是軍事光學窗所重視與發展。其物理化學性質的主要特點是:

    ①熔點高,化學和光化學穩定性好,光學透明性范圍較寬(0.23~8.0μm);

    ②在1050nm處,其折射率高達1.89,使其具有80%以上的理論透過率;

    ③Y2O3具有足以容納大多數三價稀土離子發射能級的、較大的導帶到價帶的帶隙,可以通過稀土離子的摻雜,實現發光性能的有效裁剪,從而實現其應用的多功能化;

    ④聲子能量低,其最大聲子截止頻率大約為550cm–1,低的聲子能量可以抑制無輻射躍遷的幾率,提高輻射躍遷的幾率,從而提高發光量子效率;

    ⑤熱導率高,約為13.6W/(m·K),高的熱導率對其作為固體激光介質材料極為重要。

    日本神島化學公司研制的氧化釔透明陶瓷

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    Y2O3的熔點約在2690℃,常溫燒結溫度約在1700~1800℃。若要做成透光陶瓷,最好是采熱壓燒結。因優異的物理化學性質,Y2O3透明陶瓷被廣泛應用并潛在開發,主要包括:導彈的紅外窗口和球罩、可見和紅外透鏡、高壓氣體放電燈、陶瓷閃爍體以及陶瓷激光器等領域。





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