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稀土纳米材料的特性及应用

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1 引言
稀土元素原子结构特殊,内层4f轨道未成对电子多、原子磁矩高、电子能级极其丰富,几乎可以与所有元素发生反应,形成多价态、多配位数(3~12个)的化合物,具有许多优异的光、电、磁、核等特性[1],被称为“现代工业的维生素”和神奇的“新材料宝库”。
纳米材料是指晶粒尺寸小于100nm的单晶体或多晶体,由于晶粒细小,使其晶界上的原子数多于晶粒内部的,即产生高浓度晶界,因而使纳米材料有许多不同于一般粗晶材料的性能,如强度和硬度增大、低密度、低弹性模量、高电阻、低热导率等。纳米技术是用单个的原子、分子制造物质的科学技术,以及在单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别与控制的研究和应用[2]。小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应使纳米材料在光、电、磁等方面也表现出许多常规材料不具备的特性。稀土纳米材料集稀土特性和纳米特性于一体,必然会创出非稀土纳米材料和稀土非纳米材料所不具备的优良特性。目前纳米技术与稀土相结合形成的新型材料主要有稀土纳米陶瓷、催化剂、永磁材料、发光材料、环保材料、生物医药材料等。这些新型材料在信息、生命科学等领域必将发挥重要的作用[3-4]。
2 稀土纳米材料的应用
2 1 稀土纳米陶瓷材料
陶瓷是具有悠久历史的材料,陶瓷材料的特点是硬度高、强度高和抗腐蚀性好,即使在高温下也如此。稀土氧化物在精细陶瓷中的应用,主要作为添加剂来改进陶瓷的烧结性、致密度、显微结构等。使用纳米级的Y2O3、Nd2O3、La2O3、Sm2O3等制备的电子陶瓷(电子传感器、电容器等),电性能、热性能和稳定性都得到了许多改善,是电子材料升级的重要方面。基于纳米微粒径小、比表面大并有高的扩散速率的特点,用纳米Y2O3和ZrO2能在较低温度下烧结成氧化锆陶瓷,具有很高的强度和韧性,用于轴承、刀具和耐磨零件等。用纳米Nd2O3、Sm2O3等制作的多层电容、微波器件,性能大大提高。用稀土纳米陶瓷做成的发动机的工作温度将比现有合金材料的发动机提高200~300℃,热效率提高20~30%左右。
日本新技术事业集团首创开发了水热法批量生产纳米陶瓷材料,合成了Y2O3部分稳定的ZrO2。用ZrO Cl2·YCl3作为原料,并加入尿素作为沉淀剂,在高压釜内进行水热合成,制得纯度高达99 9%以上、平均粒径为30nm的微粉。所得产品纯度高,粒度分布窄,结晶性很高。用该粉末烧结而成的材料具有高强度、高韧性、高离子导电性能,可用于制造切削工具、模具和传感器等[5]。
2 2 稀土纳米催化剂
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