CN116621577A - 一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料及其制备方法和应用，通过分步掺杂的方法使部分掺杂元素位于稀土锆基陶瓷材料的晶界和表面处，通过调节晶界和表面处掺杂元素的种类、含量可以改变稀土锆基陶瓷材料的烧结活性，从而调节稀土锆基陶瓷材料晶粒尺寸，晶界数量及特性，最终实现材料电学、力学等性质优化。所用的掺杂方法兼具工艺简便，成本低廉以及普适性强的优势，可以满足不同稀土锆基陶瓷对掺杂元素的需求，适合规模化应用。采用本发明的技术方案得到的稀土锆基陶瓷材料可用于研磨介质、光纤连接器、手机背板、齿科材料、生物陶瓷、热障涂层、氧传感器或氮氧传感器、固体氧化物燃料电池等不同领域。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料及其制备方法和应用。
背景技术
稀土锆基陶瓷材料具有卓越的物理性能和化学性能，目前广泛应用于国防军工、生物医用、新能源、电子信息、汽车等高端领域。例如在生物医学领域，良好的生物相容性和力学性能使其成为目前最理想的牙齿修复材料。在信息通信领域，高强度、高韧性和无信号屏蔽等特性使其成为5G手机首选的外壳材料。在航空领域中，优异的绝热性和高温稳定性使其成为飞机发动机热障涂层中非常关键的材料。在环境保护中，其抗腐蚀性和氧离子导电性能使其成为车用氧传感器或氮氧传感器的关键材料。在能源领域中，高氧离子电导率使其成为固体氧化物燃料电池中最理想的电解质材料。
综上所述，改善稀土锆基陶瓷材料力学、电学特性是提高其使用性能的关键。而掺杂改性是改善稀土锆基陶瓷性能的常用手段。此前的研究表明，掺杂Ce元素可以显著提高稀土锆基陶瓷韧性，这种材料目前已经在特种结构件以及特种行业的研磨介质中实现应用。而Ni、Er、Yb等掺杂元素可显著降低稀土锆基陶瓷的热扩散系数和热导率，是一种潜在的新型热障涂层材料。Yb、Gd或Ce的掺杂则可以提高稀土锆基陶瓷的离子电导率，并且有助于防止高温相变，提升材料热稳定性，这类掺杂稀土锆基陶瓷在气体传感器、固体氧化物燃料电池等领域受到广泛关注。但是，通过简单元素掺杂改善稀土锆基陶瓷性能表现出明显局限，而最新应用领域对稀土锆基陶瓷材料性能要求越来越高，因此亟需进一步提升稀土锆基陶瓷材料的力学、电学等性能。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料及其制备方法和应用，通过特定元素在稀土锆基陶瓷粉体材料晶界和表面处的掺杂，基于掺杂元素不同种类、含量可以改变稀土锆基陶瓷材料的烧结活性，从而调节晶粒尺寸，晶界数量以及晶界特性，以提升材料强度、抗热震性、离子电导率等物理化学性能，以满足生物陶瓷、热障涂层、氧传感器或氮氧传感器、固体氧化物燃料电池等不同应用领域要求。
为达到上述目的，本发明的第一个方面，提供了一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料，所述稀土锆基陶瓷材料的化学式为RExZr1-x-yMyO2-z；其中，
RE为稀土元素；
M为阳离子掺杂元素；
0.03≤x≤0.5，0≤y≤0.15，0.01≤z＜0.3。
进一步的，所述RE为Sc、Y、La、Gd和Ce中的一种或一种以上的组合。
进一步的，所述M包括阳离子过渡金属元素、碱土金属元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Sb、Bi、Si和稀土元素中的一种或一种以上的组合。
进一步的，所述M为Mg、Ca、Sr、Al、Ga、V、Fe、Mn、Ni、Zn、Nb、In、Bi和稀土元素中的一种或一种以上的组合；优选为Mg、Sr、Al、V、Ni、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Er、Yb、Lu、Y和Sc中的一种或一种以上的组合。
进一步的，所述M在稀土锆基陶瓷材料中的摩尔含量不超过15％，优选不超过10％。
进一步的，所述稀土锆基陶瓷材料的晶界和表面处含有M的氧化物。
进一步的，所述稀土锆基陶瓷材料为立方萤石结构、四方相、单斜相和菱方相中的一种或几种，优选为立方萤石结构和四方相中的一种或两种。
本发明的第二个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料的制备方法，包括步骤：
S1、将产物所需化学计量比的RE、Zr化合物水溶液混合，得到混合料液；将混合料液与碱性物质加入到反应器中，进行沉淀反应，对得到的沉淀物进行过滤、洗涤、干燥和焙烧，得到稀土锆基氧化物粉体；
S2、将步骤S1得到的稀土锆基氧化物粉体材料与掺杂元素M的液态盐混合，干燥后进行一次或两次热处理，再进行一次或两次煅烧，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料。
本发明的第三个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料的制备方法，包括步骤：
S1、将产物所需化学计量比的RE、Zr和部分M的化合物水溶液混合，得到混合料液；将混合料液与碱性物质加入到反应器中，进行沉淀反应，对得到的沉淀物进行过滤、洗涤、干燥和焙烧，得到含M元素的稀土锆基氧化物粉体；
S2、将步骤S1得到含M元素的稀土锆基氧化物粉体与剩余的掺杂元素M的液态盐混合，干燥后进行一次或两次热处理，再进行一次或两次煅烧，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料。
进一步的，所述步骤S1中含Zr的水溶液包括氯化氧锆、硝酸氧锆、硫酸氧锆、乙酸锆和柠檬酸锆中的一种或一种以上的水溶液组合。
进一步的，所述步骤S1中含RE的水溶液包括稀土的氯化物、硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐以及柠檬酸盐中的一种或一种以上的水溶液组合。
进一步的，所述掺杂元素M的液态盐包括氯化物、硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐、柠檬酸盐和氨基酸盐的熔融盐或水溶液中的一种或一种以上的组合。
进一步的，所述碱性物质包括碳酸氢镁、尿素以及铵、钠、钾中至少一种元素的氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐中的至少一种，优选为氢氧化钠、尿素、氨水和碳酸氢铵中的至少一种。
进一步的，所述步骤S1沉淀过程pH值控制在4.5～14，优选为5～11，沉淀终点pH值控制在8～13，优选为9～11；沉淀过程中温度为0～120℃，优选为10～80℃。
进一步的，步骤S1所述焙烧温度为600～1100℃，优选650～950℃，焙烧时间为1～24h，优选3～15h。
进一步的，步骤S2所述热处理温度为200～750℃，优选为400～600℃，热处理时间为1～24h，优选1～12h。
进一步的，步骤S2所述煅烧温度为700～1200℃，优选800～1100℃，时间为1～24h，优选3～15h。
本发明的第四个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体材料在研磨介质、光纤连接器、手机背板、齿科材料、生物陶瓷、热障涂层、氧传感器或氮氧传感器、以及固体氧化物燃料电池领域的应用。
综上所述，本发明提供了一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料及其制备方法和应用，通过晶界掺杂的方法使掺杂元素位于稀土锆基陶瓷材料的晶界、表面。基于不同掺杂元素价态、原子半径、含量等差别，晶界和表面掺杂可以改变稀土锆基陶瓷材料的烧结活性，从而调节晶粒尺寸，晶界数量及晶界特性。当掺杂元素提高烧结活性、减少晶界数量时，会导致稀土锆基陶瓷材料的晶界电阻降低，从而提高稀土锆基陶瓷材料的离子电导率；当掺杂元素降低烧结活性、增加晶界数量时，会导致稀土锆基陶瓷材料的晶粒细化，从而改善稀土锆基陶瓷材料的力学性能及高温稳定性。本发明的技术方案提供的晶界和表面掺杂方法具有普适性，实现了高效低成本改善稀土锆基陶瓷材料的力学、电学、热学性能，以满足不同稀土锆基陶瓷材料对掺杂元素的需求。
附图说明
图1是本发明晶界掺杂的稀土锆基陶瓷的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的第一个方面，提供了一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料，所述稀土锆基陶瓷材料的化学式为RExZr1-x-yMyO2-z；RE为稀土元素；M为阳离子掺杂元素；0.03≤x≤0.5，0≤y≤0.15，0.01≤z＜0.3。
其中，RE可以为Sc、Y、La、Gd和Ce中的一种或一种以上的组合；阳离子掺杂元素M可以为阳离子过渡金属元素、碱土金属元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Sb、Bi、Si和稀土元素中的一种或一种以上的组合；优选的，M为Mg、Ca、Sr、Al、Ga、V、Fe、Mn、Ni、Zn、Nb、In、Bi和稀土元素中的一种或一种以上的组合；进一步优选的，M为Mg、Sr、Al、V、Ni、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Er、Yb、Lu、Y和Sc中的一种或一种以上的组合。该阳离子掺杂元素M在稀土锆基陶瓷材料中的摩尔含量不超过15％，优选不超过10％。该阳离子掺杂元素M位于稀土锆基陶瓷材料的晶界和表面处，或位于晶界、表面处和位于晶粒内。该阳离子掺杂元素M在稀土锆基陶瓷的晶界和表面处，或在晶界、表面和晶粒内转化为氧化物、含氮化合物及其复合物中的一种或一种以上。所述稀土锆基陶瓷材料可以为立方萤石结构、四方相、单斜相和菱方相中的一种或几种，优选为立方萤石结构和四方相中的一种或两种。
本发明实施例提供的稀土锆基陶瓷材料，通过改变掺杂元素，调整掺杂工艺，可以得到不同的稀土锆基陶瓷粉体，应用于不同场景：通过在晶界和表面阳离子元素M掺杂的方法使所述稀土锆基陶瓷材料的晶界、表面处含有M的氧化物，基于掺杂元素不同种类、含量可以改变稀土锆基陶瓷材料的晶界特性，从而调节稀土锆基陶瓷材料晶粒尺寸，晶界数量及特性，最终实现材料电学、力学、热学等性质优化。通过在晶界和表面掺杂特定种类阳离子元素M，可以提高烧结活性，减少晶界，有利于晶界处氧离子的迁移，降低了稀土锆基陶瓷材料的晶界电阻，从而使其离子电导率得以有效提升。通过在晶界和表面掺杂其他种类阳离子元素M，可以降低稀土锆基陶瓷材料的烧结活性，进而细化晶粒，钉扎晶界，提高稀土锆基陶瓷材料断裂韧性、抗弯强度等力学性能及高温稳定性。同时考虑到阳离子掺杂元素M掺杂超过15mol％会使晶格畸变程度变大，影响材料的离子传导性能和力学性能，本发明中对于阳离子掺杂元素M在稀土锆基陶瓷材料中的摩尔含量也进行了限定。
本发明的第二个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料的制备方法，该制备方法的流程图如图1所示，包括如下步骤：
S1、将产物所需化学计量比的RE、Zr化合物水溶液混合，得到混合料液；将混合料液与碱性物质加入到反应器中，进行沉淀反应，对得到的沉淀物进行过滤、洗涤、干燥、焙烧，得到稀土锆基氧化物粉体；
S2、将步骤S1得到的稀土锆基氧化物粉体与掺杂元素M的液态盐混合，干燥后进行一次或两次热处理，再进行一次或两次煅烧，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体。
本发明的第三个方面，提供了一种如本发明第一个方面所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将产物所需化学计量比的RE、Zr和部分M的化合物水溶液混合，得到混合料液；将混合料液与碱性物质加入到反应器中，进行沉淀反应，对得到的沉淀物进行过滤、洗涤、干燥、焙烧，得到含M元素的稀土锆基氧化物粉体；
S2、将步骤S1得到含M元素的稀土锆基氧化物粉体与剩余的掺杂元素M的液态盐混合，干燥后进行一次或两次热处理，再进行一次或两次煅烧，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料。
上述两个制备方法的技术方案中，步骤S1中含Zr的溶液包括氯化氧锆、硝酸氧锆、硫酸氧锆、乙酸锆和柠檬酸锆中的一种或一种以上水溶液的组合；所述步骤S1中含RE的溶液包括稀土的氯化物、硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐以及柠檬酸盐中的一种或一种以上水溶液的组合。所述碱性物质包括碳酸氢镁、尿素以及铵、钠、钾中至少一种元素的氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐中的至少一种，优选为氢氧化钠、尿素、氨水和碳酸氢铵中的至少一种。所述步骤S1的沉淀过程pH值控制在4.5～14，优选为5～11，沉淀终点pH值控制在8～13，优选为9～11；沉淀过程中温度为0～120℃，优选为10～80℃。所述掺杂元素M的液态盐包括硝酸盐、乙酸盐、柠檬酸盐和氨基酸盐的熔融盐或水溶液中的一种或一种以上的组合。其中，M在晶界和表面处的摩尔占比为10～70％。可以通过控制沉淀条件、产物的热处理以及煅烧温度、时间、气氛等调控M在晶界和表面处的形态和比例。
步骤S1中，所述焙烧温度为600～1100℃，优选650～950℃，焙烧时间为1～24h，优选3～15h。
步骤S2中，所述热处理温度为200～750℃，优选为400～600℃，热处理时间为1～24h，优选1～12h；煅烧温度为700～1200℃，优选800～1100℃，上面得到的稀土锆基陶瓷粉体经过1-2次煅烧，以有效控制其力度和分散性，一次煅烧后，可以经过球磨、表面处理避免二次烧结团聚。此温度范围内掺杂元素可以优先进入晶界，低于此温度范围则会导致掺杂元素难以进入晶界，高于此温度范围，掺杂元素进入体相，并造成烧结过度，晶界减少，煅烧时间为1～24h，优选3～15h。通过控制沉淀参数、产物的热处理及煅烧温度、时间、气氛等调控M在晶界和表面处的形态和比例。为了满足不同应用对陶瓷性能的特殊要求，需要调整或改变掺杂元素种类和陶瓷微观组织结构，从而需要采用不同的热处理制度，如分步进行热处理，使掺杂元素更多、更均匀稳定进入晶界和表面处，两步热处理之间也可以进行水洗、水淬等处理。
本发明的第四个方面，提供了如本发明第一个方面所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料在研磨介质、光纤连接器、手机背板、齿科材料、生物陶瓷、热障涂层、氧传感器或氮氧传感器、以及固体氧化物燃料电池的应用。本发明实施例提供的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体可通过流延法、热压法等成型方法制备成陶瓷，也可进一步通过结构设计，制备成应用于研磨介质、光纤连接器、手机背板、齿科材料、生物陶瓷、热障涂层、氧传感器或氮氧传感器、以及固体氧化物燃料电池等领域的陶瓷材料。
下面通过具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制阳离子总浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为10.7±0.2，终点pH值为10.5，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀物进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在600℃下焙烧24小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂La计量比的硝酸镧的液态盐混合，100℃干燥5小时后在250℃下热处理24小时，再于1200℃下煅烧2小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.05La0.01Zr0.94O1.97。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为1378.28MPa。
实施例2
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为7±0.2，终点pH值为10.5，温度控制在20℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Ce计量比的乙酸铈的液态盐混合，100℃干燥5小时后在300℃下热处理20小时，再于700℃下煅烧24小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.04Ce0.02Zr0.94O1.97。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为1298.02MPa。
实施例3
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为5±0.2，终点pH值为10，温度控制在10℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在800℃下焙烧6小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂La和Lu计量比的硝酸镧和硝酸镥的液态盐混合，100℃干燥5小时后在300℃下热处理20小时，再于1100℃下煅烧4小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.02La0.02Lu0.02Zr0.94O1.97。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为1350.33MPa。
实施例4
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为4.7～11，终点pH值为9.5，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在950℃下焙烧4小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Eu和Yb计量比的硝酸铕和硝酸镱的液态盐混合，100℃干燥5小时后在500℃下热处理6小时，再于1000℃下煅烧8小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.04Eu0.01Yb0.01Zr0.94O1.97。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为1310.43MPa。
实施例5
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M的氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为10.7±0.2，终点pH值为12，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Al计量比的硝酸铝的液态盐混合，100℃干燥5小时后在750℃下热处理2小时，再于900℃下煅烧15小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.05Al0.01Zr0.94O1.97。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为1390.02MPa。
实施例6
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为9±0.2，终点pH值为10，温度控制在20℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在600℃下焙烧24小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Er计量比的硝酸铒的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理12小时，再于1200℃下煅烧2小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.09Er0.01Zr0.9O1.95。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为570.45MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为32.78mS/cm。
实施例7
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为8±0.2，终点pH值为9，温度控制在10℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Sc计量比的硝酸钪的液态盐混合，100℃干燥5小时后在500℃下热处理6小时，再于900℃下煅烧15小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.05Sc0.05Zr0.9O1.95。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为615.22MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为40.67mS/cm。
实施例8
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为8.5±0.2，终点pH值为9，温度控制在20℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在650℃下焙烧15小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Yb和Lu计量比的硝酸镱和硝酸镥的液态盐混合，100℃干燥5小时后在500℃下热处理6小时，再于750℃下煅烧20小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.07Yb0.02Lu0.01Zr0.9O1.95。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为600.24MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为34.83mS/cm。
实施例9
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为9±0.2，终点pH值为9.5，温度控制在20℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Lu计量比的硝酸镥的液态盐混合，100℃干燥5小时后在600℃下热处理3小时，再于1000℃下煅烧8小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.09Lu0.01Zr0.9O1.95。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为590.62MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为33.01mS/cm。
实施例10
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为6±0.2，终点pH值为9.5，温度控制在20℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Sc计量比的硝酸钪的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理12小时，于900℃下煅烧10小时，再于1000℃下煅烧5小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.08Sc0.02Zr0.9O1.95。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为610.54MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为35.70mS/cm。
实施例11
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为8±0.2，终点pH值为9，温度控制在20℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在700℃下焙烧8小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Sc和Gd计量比的硝酸钪和硝酸钆的液态盐混合，100℃干燥5小时后在300℃下热处理15小时，再于500℃下热处理3小时，再于1000℃下煅烧8小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.05Sc0.03Gd0.02Zr0.9O1.95。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为605.22MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为38.67mS/cm。
实施例12
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为9～12，终点pH值为9，温度控制在10℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Sc和Sm计量比的硝酸钪和硝酸钐的液态盐混合，100℃干燥5小时后在300℃下热处理10小时，再于500℃下热处理4小时，于800℃下煅烧15小时，再于1100℃下煅烧3小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.06Sc0.03Sm0.01Zr0.9O1.95。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为625.24MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为36.83mS/cm。
实施例13
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与碳酸钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为8.5±0.2，终点pH值为9，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在700℃下焙烧8小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Sr计量比的硝酸锶的液态盐混合，100℃干燥5小时后在600℃下热处理3小时，再于1000℃下煅烧8小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.13Sr0.03Zr0.85O1.925。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为389.93MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为81.34mS/cm。
实施例14
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M的氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为5.5±0.2，终点pH值为13，温度控制在60℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Bi计量比的硝酸铋的液态盐混合，100℃干燥5小时后在500℃下热处理6小时，再于1000℃下煅烧8小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.1Bi0.03Zr0.85O1.925。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为400.17MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为97.09mS/cm。
实施例15
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M的氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为4.7～11，终点pH值为9.5，温度控制在80℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在800℃下焙烧6小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Yb和Al计量比的硝酸镱和硝酸铝的液态盐混合，100℃干燥5小时后在500℃下热处理6小时，再于1100℃下煅烧4小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.12Yb0.02Al0.01Zr0.85O1.925。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为420.82MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为85.98mS/cm。
实施例16
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为7±0.2，终点pH值为11，温度控制在10℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在800℃下焙烧6小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Bi、Yb、和Al计量比的硝酸铋、硝酸镱和硝酸铝的液态盐混合，100℃干燥5小时后在500℃下热处理6小时，再于1000℃下煅烧8小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.07Bi0.03Yb0.02Al0.01Zr0.85O1.925。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为415.05MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为90.00mS/cm。
实施例17
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为7±0.2，终点pH值为9.5，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在600℃下焙烧24小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂V计量比的硝酸钒的液态盐混合，100℃干燥5小时后在600℃下热处理3小时，再于1100℃下煅烧4小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.1V0.03Zr0.85O1.925。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为400.79MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为73.65mS/cm。
实施例18
按照化学计量比的硝酸钪、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Sc3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为5.5±0.2，终点pH值为9，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到ScSZ粉末；将ScSZ与掺杂Yb计量比的硝酸镱的液态盐混合，100℃干燥5小时后在500℃下热处理6小时，再于900℃下煅烧15小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Sc0.14Yb0.04Zr0.82O1.91。经烧结成为陶瓷后，直流四探针法测得其850℃时电导率为190.88mS/cm。
实施例19
按照化学计量比的硝酸钪、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Sc3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为5.5±0.2，终点pH值为9，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到ScSZ粉末；将ScSZ与掺杂Ce计量比的硝酸铈的液态盐混合，100℃干燥5小时后在500℃下热处理6小时，再于900℃下煅烧15小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Sc0.14Ce0.03Zr0.82O1.91。经烧结成为陶瓷后，直流四探针法测得其850℃时电导率为185.72mS/cm。
实施例20
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为10～14，终点pH值为9.5，温度控制在60℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在650℃下焙烧15小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Fe计量比的柠檬酸铁的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理12小时，再于900℃下煅烧15小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.05Fe0.03Zr0.92O1.96。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1200℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为2.94MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为248次(热震循环实验是在1150℃的箱式炉中加热保温50min后取出置于室温空气冷却10min，如此反复多次，直至涂层从基体上剥落面积达10％，判定为失效。下述热震循环实验与此例相同)。
实施例21
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为10±0.2，终点pH值为10.5，温度控制在20℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Zn计量比的乙酸锌的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理12小时，再于900℃下煅烧15小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.05Zn0.03Zr0.92O1.96。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1200℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为2.88MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为256次。
实施例22
按照化学计量比的氯化钇、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与碳酸氢镁溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为4.7±0.2，终点pH值为8.5，温度控制在20℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Mg计量比的硝酸镁的液态盐混合，100℃干燥5小时后在300℃下热处理20小时，再于800℃下煅烧17小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.05Mg0.03Zr0.92O1.96。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1200℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为3.03MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为320次。
实施例23
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为7±0.2，终点pH值为10，温度控制在10℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在800℃下焙烧6小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Al和Sm计量比的硝酸铝和硝酸钐的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理12小时，再于1200℃下煅烧2小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.05Sm0.02Al0.01Zr0.92O1.96。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1200℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为2.12MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为417次。
实施例24
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为6±0.2，终点pH值为11，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在950℃下焙烧4小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂Eu计量比的硝酸铕的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理12小时，再于1200℃下煅烧2小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.04Eu0.04Zr0.92O1.96。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1200℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为2.50MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为301次。
实施例25
按照化学计量比的硝酸钇、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为8.5±0.2，终点pH值为11.5，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在600℃下焙烧24小时，得到YSZ粉末；将YSZ与掺杂La和Gd计量比的硝酸镧和硝酸钆的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理12小时，再于1200℃下煅烧2小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Y0.06La0.01Gd0.01Zr0.92O1.96。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1200℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为2.86MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为450次。
实施例26
按照化学计量比的硝酸镧、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为0.5M的La3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为6±0.2，终点pH值为9.5，温度控制在50℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到LaZO粉末；将LaZO粉末与掺杂Sc计量比的硝酸钪的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理12小时，于950℃下煅烧10小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体La0.4Sc0.1Zr0.5O1.75。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1500℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为1.39MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为39次。
实施例27
按照化学计量比的硝酸钆、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.5M的Gd3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为6±0.2，终点pH值为9.5，温度控制在50℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在900℃下焙烧5小时，得到GdZO粉末；将GdZO与掺杂La计量比的硝酸镧的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理5小时，于950℃下煅烧10小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Gd0.3La0.2Zr0.5O1.75。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1500℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为2.56MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为109次。
实施例28
按照化学计量比的硝酸钆、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为2.0M的Gd3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为6±0.2，终点pH值为9.5，温度控制在50℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在900℃下焙烧5小时，得到GdZO粉末；将GdZO与掺杂Sc计量比的硝酸钪的液态盐混合，100℃干燥5小时后在400℃下热处理12小时，于950℃下煅烧10小时，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷粉体Gd0.06Sc0.02Zr0.92O1.96。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1500℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为1.59MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为41次。
对比例1
按照化学计量比的氯化钇、硝酸镧、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+、La3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为10.7±0.2，终点pH值为10.5，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在600℃下焙烧24小时，得到YSZ粉末；再于1200℃下煅烧2小时，得到稀土锆基陶瓷粉体Y0.05La0.01Zr0.94O1.97。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为1235.71MPa。
对比例2
按照化学计量比的氯化钇、硝酸钪、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+、Sc3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为5±0.2，终点pH值为10，温度控制在10℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在800℃下焙烧6小时，得到YSZ粉末；再于1100℃下煅烧4小时，得到稀土锆基陶瓷粉体Y0.05Sc0.05Zr0.9O1.95。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为520.23MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为30.45mS/cm。
对比例3
按照化学计量比的氯化钇、硝酸铋、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+、Bi3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与2.0M的氢氧化钠溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为5.5±0.2，终点pH值为13，温度控制在60℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；再于1000℃下煅烧8小时，得到稀土锆基陶瓷粉体Y0.1Bi0.03Zr0.85O1.925。经烧结成为陶瓷后，三点弯曲实验测得其抗弯强度为353.49MPa，直流四探针法测得其850℃时电导率为71.20mS/cm。
对比例4
按照化学计量比的硝酸钪、硝酸镱、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为1.10M的Sc3+、Yb3+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与3.0M的氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为5.5±0.2，终点pH值为9，温度控制在30℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到ScSZ粉末；再于900℃下煅烧15小时，得到稀土锆基陶瓷粉体Sc0.14Yb0.04Zr0.82O1.91。经烧结成为陶瓷后，直流四探针法测得其850℃时电导率为165.23mS/cm。
对比例5
按照化学计量比的氯化钇、硝酸镁、氧氯化锆用水溶解配制浓度为1.0M的Y3+、Mg2+和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与碳酸氢镁溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为4.7±0.2，终点pH值为8.5，温度控制在20℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到YSZ粉末；再于800℃下煅烧17小时，得到稀土锆基陶瓷粉体Y0.05Mg0.03Zr0.92O1.96。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1200℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为2.76MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，测得其热震循环次数为250次。
对比例6
按照化学计量比的硝酸镧、硝酸钪、硝酸氧锆用水溶解配制浓度为0.5M的La3+、Sc3 +和Zr4+混合溶液；在搅拌条件下，将混合料液与氨水溶液均速加入到反应器中，沉淀过程pH值控制为6±0.2，终点pH值为9.5，温度控制在50℃，使阳离子沉淀完全；之后对沉淀进行过滤、洗涤、干燥，将干燥后的产物在1000℃下焙烧2小时，得到LaZO粉末；再于950℃下煅烧10小时，得到稀土锆基陶瓷粉体La0.4Sc0.1Zr0.5O1.75。经烧结成为陶瓷后，物相分析表明其在1500℃以下可以保持相结构稳定，压痕法测得其断裂韧性为1.12MPa·m1/2，经热喷涂后进行热震循环实验，热震循环次数为30次。
从上述实施例可以看出，采用本发明实施例制备的稀土锆基陶瓷粉体的抗弯强度、电导率、断裂韧性和热震循环次数相比于对比例具有明显的提高，能够取得明显有益的技术效果。
综上所述，本发明提供了一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料及其制备方法和应用，通过晶界掺杂的方法使所述稀土锆基陶瓷材料的晶界、表面处含有M的氧化物，基于掺杂元素不同种类、含量可以改变稀土锆基陶瓷材料的烧结活性，从而调节稀土锆基陶瓷材料晶粒尺寸，晶界数量及特性，最终实现材料电学、力学、热学等性质优化。本发明的技术方案提供的晶界和表面掺杂方法具有普适性，实现了高效低成本地调节稀土锆基陶瓷材料的晶界特性，从而改善稀土锆基陶瓷材料性能，可以满足不同稀土锆基陶瓷材料对掺杂元素的需求。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (18)
1.一种晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料，其特征在于，所述稀土锆基陶瓷材料的化学式为RExZr1-x-yMyO2-z；其中，
RE为稀土元素；
M为阳离子掺杂元素；
0.03≤x≤0.5，0≤y≤0.15，0.01≤z＜0.3。
2.根据权利要求1所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料，其特征在于，所述稀土锆基陶瓷材料的晶界和表面处含有掺杂元素M的氧化物。
3.根据权利要求1所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料，其特征在于，所述RE为Sc、Y、La、Gd和Ce中的一种或一种以上的组合。
4.根据权利要求1所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料，其特征在于，所述M包括阳离子过渡金属元素、碱土金属元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Sb、Bi、Si和稀土元素中的一种或一种以上的组合。
5.根据权利要求4所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料，其特征在于，所述M为Mg、Ca、Sr、Al、Ga、V、Fe、Mn、Ni、Zn、Nb、In、Bi和稀土元素中的一种或一种以上的组合；优选为Mg、Sr、Al、V、Ni、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Er、Yb、Lu、Y和Sc中的一种或一种以上的组合。
6.根据权利要求5所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料，其特征在于，所述M在稀土锆基陶瓷材料中的摩尔含量不超过15％，优选不超过10％。
7.根据权利要求1所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料，其特征在于，所述稀土锆基陶瓷材料为立方萤石结构、四方相、单斜相和菱方相中的一种或几种，优选为立方萤石结构和四方相中的一种或两种。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将产物所需化学计量比的RE和Zr化合物的水溶液混合，得到混合料液；将混合料液与碱性物质加入到反应器中，进行沉淀反应，对得到的沉淀物进行过滤、洗涤、干燥和焙烧，得到稀土锆基氧化物粉体；
S2、将步骤S1得到的稀土锆基氧化物粉体材料与掺杂元素M的液态盐混合，干燥后进行一次或两次热处理，再进行一次或两次煅烧，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料。
9.一种如权利要求1-7中任意一项所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将产物所需化学计量比的RE、Zr和部分M的化合物水溶液混合，得到混合料液；将混合料液与碱性物质加入到反应器中，进行沉淀反应，对得到的沉淀物进行过滤、洗涤、干燥、焙烧，得到含M元素的稀土锆基氧化物粉体；
S2、将步骤S1得到含M元素的稀土锆基氧化物粉体与剩余的掺杂元素M的液态盐混合，干燥后进行一次或两次热处理，再进行一次或两次煅烧，得到晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中含Zr的水溶液包括氯化氧锆、硝酸氧锆、硫酸氧锆、乙酸锆和柠檬酸锆中的一种或一种以上的水溶液组合。
11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中含RE的水溶液包括稀土的氯化物、硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐以及柠檬酸盐中的一种或一种以上的水溶液组合。
12.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述掺杂元素M的液态盐包括氯化物、硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐、柠檬酸盐和氨基酸盐的熔融盐或水溶液中的一种或一种以上的组合。
13.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述碱性物质包括碳酸氢镁、尿素以及铵、钠、钾中至少一种元素的氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐中的至少一种，优选为氢氧化钠、尿素、氨水和碳酸氢铵中的至少一种。
14.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步骤S1沉淀过程pH值控制在4.5～14，优选为5～11，沉淀终点pH值控制在8～13，优选为9～11；沉淀过程中温度为0～120℃，优选为10～80℃。
15.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，步骤S1所述焙烧温度为600～1100℃，优选650～950℃，焙烧时间为1～24h，优选3～15h。
16.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，步骤S2所述热处理温度为200～750℃，优选为400～600℃，热处理时间为1～24h，优选1～12h。
17.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，步骤S2所述煅烧温度为700～1200℃，优选800～1100℃，时间为1～24h，优选3～15h。
18.如权利要求1-7中任意一项所述的晶界和表面掺杂的稀土锆基陶瓷材料在研磨介质、光纤连接器、手机背板、齿科材料、生物陶瓷、热障涂层、氧传感器或氮氧传感器、以及固体氧化物燃料电池的应用。
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