ZastosowanieZiemia rzadkaw materiałach kompozytowych
Elementy ziem rzadkich mają unikalną strukturę elektroniczną 4F, duży atomowy moment magnetyczny, silne sprzężenie spinowe i inne cechy. Podczas tworzenia kompleksów z innymi elementami ich liczba koordynacji może wahać się od 6 do 12. Związki ziem rzadkich mają różne struktury krystaliczne. Specjalne właściwości fizyczne i chemiczne ziem rzadkich sprawiają, że są szeroko stosowane w wytopie wysokiej jakości metali stalowych i nieżelaznych, specjalnych ceramiki szkła i wysokiej wydajności, materiałów magnetycznych stałych, materiałów do przechowywania wodoru, luminescencyjnych i laserowych materiałów, materiałów jądrowych i innych pól. Przy ciągłym rozwoju materiałów kompozytowych zastosowanie ziem rzadkich rozszerzyło się również na dziedzinę materiałów kompozytowych, przyciągając powszechną uwagę w poprawie właściwości interfejsu między heterogenicznymi materiałami.
Główne formy zastosowania ziem rzadkich w przygotowaniu materiałów kompozytowych obejmują: ① DodanieMetale ziem rzadkichdo materiałów kompozytowych; ② Dodaj w formieTlenki ziem rzadkichdo materiału złożonego; ③ Polimery domieszkowane lub związane z metaliami ziem rzadkich w polimerach są stosowane jako materiały matrycowe w materiałach kompozytowych. Spośród powyższych trzech form zastosowań ziem rzadkich, dwie pierwsze formy są najczęściej dodawane do kompozytów macierzy metalowej, podczas gdy trzecia jest stosowana głównie do kompozytów macierzy polimerowej, a kompozyt macierzy ceramicznej są głównie dodawane w drugiej formie.
Ziemia rzadkaGłównie działa na kompozyt matrycy metalowej i ceramicznej macierzy w postaci dodatków, stabilizatorów i dodatków spiekania, znacznie poprawiając ich wydajność, zmniejszając koszty produkcji i umożliwiając jej zastosowanie przemysłowe.
Dodanie pierwiastków ziem rzadkich jako dodatków w materiałach kompozytowych odgrywa głównie rolę w poprawie wydajności interfejsu materiałów kompozytowych i promowaniu udoskonalania ziaren macierzy metali. Mechanizm działania jest następujący.
① Popraw zwilżalność między matrycą metalową a fazą zbrojenia. Elektroezerobójstwo elementów ziem rzadkich jest stosunkowo niskie (im mniejsza elektrocjalność metali, tym bardziej aktywna elektrocjalność niemetali). Na przykład LA to 1,1, CE wynosi 1,12, a Y 1,22. Electronegatywność wspólnego metalu bazowego FE wynosi 1,83, Ni wynosi 1,91, a Al 1,61. Dlatego elementy ziem rzadkich będą preferencyjnie adsorbowane na granicach ziarna metalowej macierzy i fazy zbrojenia podczas procesu wytopu, zmniejszając ich energię interfejsu, zwiększając prace przyczepności interfejsu, zmniejszając kąt zwilżania, a tym samym poprawiając zwilżalność między matrycą a fazą wzmocnienia. Badania wykazały, że dodanie elementu LA do macierzy aluminiowej skutecznie poprawia zwilżalność cieczy ALO i aluminium oraz poprawia mikrostrukturę materiałów kompozytowych.
② Promuj udoskonalanie ziaren macierzy metalowej. Rozpuszczalność ziemi rzadkiej w kryształu metalu jest niewielka, ponieważ promień atomowy pierwiastków ziem rzadkich jest duży, a promień atomowy macierzy metalowej jest stosunkowo niewielki. Wejście elementów ziem rzadkich o większym promieniu do sieci macierzy spowoduje zniekształcenie sieci, co zwiększy energię systemową. Aby utrzymać najniższą energię swobodną, atomy ziem rzadkich mogą wzbogacić jedynie w kierunku nieregularnych granic ziarna, co do pewnego stopnia utrudnia swobodny wzrost ziaren matrycy. Jednocześnie wzbogacone elementy ziem rzadkich zaadsorbują inne elementy stopowe, zwiększając gradient stężenia elementów stopowych, powodując niedokładowanie lokalnego składnika i zwiększając heterogeniczne działanie zarodkowania ciekłej macierzy metalowej. Ponadto niedokładowanie spowodowane segregacją żywiołów może również promować tworzenie się segregowanych związków i stać się skutecznymi heterogenicznymi cząstkami zarodkowania, promując w ten sposób udoskonalenie ziarna macierzy metalowej.
③ Oczyszcz granice ziaren. Ze względu na silne powinowactwo między pierwiastkami ziem rzadkich i pierwiastkami, takimi jak O, S, P, N itp., Standardowa swobodna energia tworzenia tlenków, siarczków, fosforków i azotek jest niska. Związki te mają wysoką temperaturę topnienia i niską gęstość, z których niektóre można usunąć, unosząc się z cieczy ze stopu, podczas gdy inne są równomiernie rozmieszczone w ziarnie, zmniejszając segregację zanieczyszczeń na granicy ziarna, oczyszczając w ten sposób granicę ziarna i poprawiając jej wytrzymałość.
Należy zauważyć, że ze względu na wysoką aktywność i niską temperaturę topnienia metali ziem rzadkich, gdy są one dodawane do kompozytu macierzy metalowej, ich kontakt z tlenem musi być specjalnie kontrolowany podczas procesu dodawania.
Duża liczba praktyk udowodniła, że dodanie tlenków ziem rzadkich jako stabilizatorów, pomocy spiekania i modyfikatorów domieszkowania do różnych kompozytów macierzy metalowej i matrycy ceramicznej może znacznie poprawić wytrzymałość i wytrzymałość materiałów, zmniejszyć ich temperaturę spiekania, a tym samym zmniejszyć koszty produkcji. Główny mechanizm jego działania jest następujący.
① Jako dodatek do spiekania może promować spiekanie i zmniejszać porowatość w materiałach kompozytowych. Dodanie dodatków spiekania polega na generowaniu fazy ciekłej w wysokich temperaturach, zmniejszenie temperatury spiekania materiałów kompozytowych, hamowanie rozkładu materiałów w wysokiej temperaturze podczas procesu spiekania i uzyskanie gęstych materiałów kompozytowych poprzez spiekanie w fazie ciekłej. Ze względu na wysoką stabilność, słabą zmienność w wysokiej temperaturze oraz wysokie temperatury topnienia i wrzenia tlenków ziem rzadkich, mogą tworzyć szklane fazy z innymi surowcami i promować spiekanie, co czyni je skutecznym dodatkiem. Jednocześnie tlenek ziem rzadkich może również tworzyć stały roztwór z matrycą ceramiczną, która może generować defekty kryształów, aktywować sieć i promować spiekanie.
② Popraw mikrostrukturę i udoskonal wielkość ziarna. Ze względu na fakt, że dodane tlenki ziem rzadkich istnieją głównie na granicach ziaren matrycy, a ze względu na ich dużą objętość, tlenki ziem rzadkich mają wysoką odporność na migrację w strukturze, a także utrudniają migrację innych jonów, zmniejszając w ten sposób szybkość migracji granic ziaren, hamując wzrost ziarna i utrudniając nienormalny wzrost ziarna. Mogą uzyskać małe i jednolite ziarna, które sprzyjają tworzeniu się gęstych struktur; Z drugiej strony, dopracując tlenki ziem rzadkich, wchodzą one do fazy szklanej granicznej ziarna, poprawiając wytrzymałość fazy szklanej, a tym samym osiągając cel poprawy właściwości mechanicznych materiału.
Elementy ziem rzadkich w kompozytach macierzy polimerowej wpływają głównie na nich poprzez poprawę właściwości matrycy polimerowej. Tlenki ziem rzadkich mogą zwiększyć temperaturę rozkładu termicznego polimerów, podczas gdy karboksylany ziem rzadkich mogą poprawić stabilność termiczną chlorku poliwinylu. Doping polistyren ze związkami ziem rzadkich może poprawić stabilność polistyrenu i znacznie zwiększyć siłę uderzenia i siłę zginania.
Czas po: 26-2023 kwietnia