稀土在玻璃陶瓷工业中的应用
作者：武秀兰,任 强
本文介绍了稀土的一些特殊性质，重点介绍了近年来稀土在玻璃与陶瓷工业中的应用情况。
1 前言
稀土元素是指位于元素周期表中第ⅢB族的一个分组的元素，通常是指原子序数为57～71号的15种镧系元素以及与镧系元素化学性质相似的21号元素钪和39号元素钇，共17种元素。这些元素在地壳中含量很少，一般没有富集的矿物，因此称为稀土元素。
我国是世界上稀土资源储量最大、品种最全的国家。现已探明，我国可利用的稀土总储量，是世界上其它国家可利用总储量的5倍还要多，目前我国最大的稀土矿是内蒙的包头矿。由于稀土元素具有许多独特的物理化学性质，所以，在冶金、农业、医药卫生以及高科技领域，有着广泛的用途。稀土最早是由发达国家于本世纪30年代应用在玻璃陶瓷生产中的，且用量逐年增加。据报道，现美国的年用量大约3000t，而我国作为陶瓷生产大国，年用量仅100t左右。本文拟就近年来稀土在玻璃与陶瓷工业中的应用情况作一简要介绍，供开发应用稀土资源时参考。
2 稀土在玻璃工业中的应用
2.1 稀土氧化物作玻璃生产的着色剂
稀土元素的特征电子层构型为(n-2)f1～14ns2或者(n-2)f1～14 (n-1)d1ns2，它们在化学反应中容易失去最外层的s电子、次外层的d电子，有时甚至也可部分或全部失去外数第三层的f电子而形成+3或+4价阳离子，因此，在稀土元素离子的电子层结构中，存在着一层不饱和的亚层(外层第三层上的f亚层)，这个不饱和的电子亚层在受到不同波长的光照射时，表现出对光的选择性吸收和反射，或吸收一种波长的光后，又会放出另一种波长的光。利用这种特性，稀土氧化物可作为玻璃的着色剂和助色剂。
另外，稀土元素外数第三层上的f亚层，被最外层的s电子壳和次外层的p电子壳所屏蔽，使得外数第三层上的f电子受邻近其它原子的势场(配位场)影响较小，这与第四周期过渡元素不同。第四周期过渡金属离子的最外层外面没有其它电子层屏蔽，因而受其它配位场或晶体场的影响较大，所以，稀土着色比过渡金属离子着色要稳定的多，一般不随玻璃基质的改变而变色。
稀土在玻璃生产中作为着色剂的应用实例如表1所示。实践证明，利用稀土着色的玻璃，颜色鲜艳、纯正，着色大方，透明度高。
表1 器皿玻璃的外加着色剂与显色情况
2.2 稀土作玻璃生产的澄清剂和脱色剂
在玻璃生产中，原料中含有的一些有害杂质，会严重影响玻璃产品的质量，如氧化铁呈青灰色或棕红色，它会影响玻璃的色泽和透明度。若引入少量稀土氧化铈(CeO2)作为澄清剂，由于氧化铁和氧化铈在高温下能形成一种难熔盐，它浮在玻璃熔融液的表面上可以被除去，从而避免了由于氧化铁的不良着色，而影响玻璃的色泽和透明度。
事实证明，稀土作玻璃生产的澄清剂、脱色剂、着色剂和助色剂，不仅可使玻璃明亮晶莹、色泽纯正、透明度好，还可以改善玻璃的强度和热稳定性。另外，稀土在光学玻璃生产中作为添加剂，可使玻璃性能进一步改善。
2.3 氧化铈(CeO2)作光学玻璃的抛光粉
利用氧化铈粉抛光玻璃制品，如各种镜头、镜片、显像管等，效果好，光洁度高，生产效率高，使用寿命长。
2.4 稀土在石英玻璃生产中的应用
稀土氯化物(NdCl3、CeCl3)可作为用等离子焰距法(CVD法)掺杂活性离子生产石英玻璃的掺杂剂，生产出的石英玻璃，除具有一般石英玻璃的优异性能外，还具有萤光特性。
3 稀土在陶瓷生产中的应用
3.1 稀土在白色透明釉中的应用
尽管大多数稀土离子是显色的，但也有少数稀土离子是不显色的，如La3+(镧)、Ce3+(铈)、Lu3+(镥)、Yb3+(镱)、Sc3+(钪)、Y3+(钇)等。将这些离子引入白釉中，均可使釉的性能得到不同程度的改善。例如对如表2所示组成的白釉中引入Y2O3形成的稀土釉，通过实验测定，釉的各种性能变化如表3所示。
表2 白釉及稀土釉的化学组成(%)
表3 白釉中引入Y2O3后的性能变化
3.2 稀土在乳浊釉中的应用
乳浊釉是用劣质原料生产高白度陶资产品所不可缺少的釉料。乳浊釉即不透明白色釉，它有较强的遮盖能力，所以，能够保证产品的白度。在乳浊釉中决定乳浊效果的是乳浊剂的性能，通常使用的乳浊剂有ZrO2、SnO2、CaF2、ZnO、SiO2等，它们的乳浊效果一般都不很理想，很难达到高档出口瓷的要求。据唐山、包头等地陶瓷厂的实践证明，在白釉中加入适量的氧化铈作为乳浊剂的铈乳浊釉，可使产品的白度提高到85度以上。与锆乳浊釉比较，成本降低25%左右，一级品率提高10%～20%。此外，在乳白釉中加入少量氧化镧作为辅助剂，可增强釉的光泽度。
3.3 稀土在陶瓷色釉中的应用
陶瓷釉的结构基本与玻璃相同，所以，稀土作为着色剂在色釉中的呈色机理，与在玻璃中的呈色机理基本相同。常用的有铈、镨和钕等的氧化物。
3.3.1 高温石灰——镨黄色釉
以石灰釉为基釉，引入3%～6%的镨黄颜料，可以制得色泽鲜艳的高温镨黄色釉，色调呈柠檬黄。它与过去常用的钒锡黄、钒锆黄相比较，具有呈色稳定、制造工艺简单、对 |
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