ZastosowanieRzadkie metale ziem rzadkichw materiałach kompozytowych
Pierwiastki ziem rzadkich mają unikalną strukturę elektronową 4f, duży moment magnetyczny atomu, silne sprzężenie spinowe i inne cechy. Podczas tworzenia kompleksów z innymi pierwiastkami ich liczba koordynacyjna może się zmieniać od 6 do 12. Związki ziem rzadkich mają różnorodne struktury krystaliczne. Specjalne właściwości fizyczne i chemiczne pierwiastków ziem rzadkich sprawiają, że są one szeroko stosowane w wytopie wysokiej jakości stali i metali nieżelaznych, specjalnego szkła i wysokowydajnej ceramiki, materiałów z magnesami trwałymi, materiałów do magazynowania wodoru, materiałów luminescencyjnych i laserowych, materiałów jądrowych i innych dziedzinach. Dzięki ciągłemu rozwojowi materiałów kompozytowych, zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich rozszerzyło się również na dziedzinę materiałów kompozytowych, przyciągając powszechną uwagę w zakresie poprawy właściwości interfejsu między materiałami heterogenicznymi.
Główne formy zastosowania metali ziem rzadkich w przygotowaniu materiałów kompozytowych obejmują: ① dodawaniemetale ziem rzadkichdo materiałów kompozytowych; ② Dodaj w formietlenki ziem rzadkichdo materiału kompozytowego; ③ Polimery domieszkowane lub wiązane metalami ziem rzadkich w polimerach są używane jako materiały matrycowe w materiałach kompozytowych. Spośród trzech powyższych form aplikacji metali ziem rzadkich, pierwsze dwie formy są głównie dodawane do kompozytów z matrycą metalową, podczas gdy trzecia jest głównie stosowana do kompozytów z matrycą polimerową, a kompozyt z matrycą ceramiczną jest głównie dodawany w drugiej formie.
Rzadka ziemiadziała głównie na kompozyty z matrycą metalową i ceramiczną w postaci dodatków, stabilizatorów i dodatków spiekalnych, znacznie poprawiając ich wydajność, obniżając koszty produkcji i umożliwiając ich zastosowanie przemysłowe.
Dodanie pierwiastków ziem rzadkich jako dodatków do materiałów kompozytowych odgrywa głównie rolę w poprawie wydajności interfejsu materiałów kompozytowych i promowaniu rafinacji ziaren matrycy metalowej. Mechanizm działania jest następujący.
① Popraw zwilżalność między matrycą metalową a fazą wzmacniającą. Elektroujemność pierwiastków ziem rzadkich jest stosunkowo niska (im mniejsza elektroujemność metali, tym bardziej aktywna elektroujemność niemetali). Na przykład La wynosi 1,1, Ce wynosi 1,12, a Y wynosi 1,22. Elektroujemność powszechnie występującego metalu podstawowego Fe wynosi 1,83, Ni wynosi 1,91, a Al wynosi 1,61. Dlatego pierwiastki ziem rzadkich będą preferencyjnie adsorbować się na granicach ziaren matrycy metalowej i fazy wzmacniającej podczas procesu wytopu, zmniejszając ich energię interfejsu, zwiększając pracę adhezji interfejsu, zmniejszając kąt zwilżania i tym samym poprawiając zwilżalność między matrycą a fazą wzmacniającą. Badania wykazały, że dodanie pierwiastka La do matrycy aluminiowej skutecznie poprawia zwilżalność AlO i cieczy aluminiowej oraz poprawia mikrostrukturę materiałów kompozytowych.
② Promuj rafinację ziaren matrycy metalowej. Rozpuszczalność pierwiastków ziem rzadkich w krysztale metalu jest niewielka, ponieważ promień atomowy pierwiastków ziem rzadkich jest duży, a promień atomowy matrycy metalowej jest stosunkowo mały. Wejście pierwiastków ziem rzadkich o większym promieniu do sieci matrycy spowoduje zniekształcenie sieci, co zwiększy energię układu. Aby utrzymać najniższą swobodną energię, atomy ziem rzadkich mogą wzbogacać się tylko w kierunku nieregularnych granic ziaren, co w pewnym stopniu utrudnia swobodny wzrost ziaren matrycy. Jednocześnie wzbogacone pierwiastki ziem rzadkich będą również adsorbować inne pierwiastki stopowe, zwiększając gradient stężeń pierwiastków stopowych, powodując lokalne przechłodzenie składników i wzmacniając efekt heterogenicznej nukleacji matrycy ciekłego metalu. Ponadto przechłodzenie spowodowane segregacją pierwiastków może również promować tworzenie się wydzielonych związków i stawać się skutecznymi cząstkami heterogenicznej nukleacji, promując w ten sposób rafinację ziaren matrycy metalowej.
③ Oczyść granice ziaren. Ze względu na silne powinowactwo między pierwiastkami ziem rzadkich a pierwiastkami takimi jak O, S, P, N itp., standardowa energia swobodna tworzenia tlenków, siarczków, fosforków i azotków jest niska. Związki te mają wysoką temperaturę topnienia i niską gęstość, z których niektóre można usunąć, unosząc się z cieczy stopowej, podczas gdy inne są równomiernie rozmieszczone w ziarnie, co zmniejsza segregację zanieczyszczeń na granicy ziaren, tym samym oczyszczając granicę ziaren i poprawiając jej wytrzymałość.
Należy pamiętać, że ze względu na wysoką aktywność i niską temperaturę topnienia metali ziem rzadkich, ich kontakt z tlenem musi być specjalnie kontrolowany podczas procesu dodawania, gdy są one dodawane do kompozytu z matrycą metalową.
Wiele praktyk udowodniło, że dodanie tlenków ziem rzadkich jako stabilizatorów, środków wspomagających spiekanie i modyfikatorów domieszkowych do różnych kompozytów matryc metalowych i ceramicznych może znacznie poprawić wytrzymałość i twardość materiałów, obniżyć temperaturę spiekania, a tym samym obniżyć koszty produkcji. Główny mechanizm jego działania jest następujący.
① Jako dodatek do spiekania może promować spiekanie i zmniejszać porowatość w materiałach kompozytowych. Dodanie dodatków do spiekania ma na celu wygenerowanie fazy ciekłej w wysokich temperaturach, obniżenie temperatury spiekania materiałów kompozytowych, zahamowanie rozkładu materiałów w wysokiej temperaturze podczas procesu spiekania i uzyskanie gęstych materiałów kompozytowych poprzez spiekanie w fazie ciekłej. Ze względu na wysoką stabilność, słabą lotność w wysokiej temperaturze oraz wysokie temperatury topnienia i wrzenia tlenków ziem rzadkich, mogą one tworzyć fazy szklane z innymi surowcami i promować spiekanie, co czyni je skutecznym dodatkiem. Jednocześnie tlenek ziem rzadkich może również tworzyć stały roztwór z matrycą ceramiczną, co może generować defekty kryształu wewnątrz, aktywować sieć i promować spiekanie.
② Popraw mikrostrukturę i udoskonal rozmiar ziarna. Ze względu na fakt, że dodane tlenki ziem rzadkich występują głównie na granicach ziaren matrycy i 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 ziaren i utrudniając nieprawidłowy wzrost ziaren podczas spiekania w wysokiej temperaturze. Mogą uzyskać małe i jednolite ziarna, co sprzyja tworzeniu gęstych struktur; Z drugiej strony, poprzez domieszkowanie tlenków ziem rzadkich, wchodzą one w fazę szklaną granicy ziaren, poprawiając wytrzymałość fazy szklanej, a tym samym osiągając cel poprawy właściwości mechanicznych materiału.
Pierwiastki ziem rzadkich w kompozytach matrycy polimerowej wpływają na nie głównie poprzez poprawę właściwości matrycy polimerowej. Tlenki ziem rzadkich mogą zwiększać temperaturę rozkładu termicznego polimerów, podczas gdy karboksylany ziem rzadkich mogą poprawiać stabilność termiczną polichlorku winylu. Domieszkowanie polistyrenu związkami ziem rzadkich może poprawić stabilność polistyrenu i znacznie zwiększyć jego udarność i wytrzymałość na zginanie.
Czas publikacji: 26-kwi-2023