Zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich w materiałach kompozytowych

StosowanieRzadka Ziemiaw materiałach kompozytowych
Pierwiastki ziem rzadkich mają unikalną strukturę elektronową 4f, duży atomowy moment magnetyczny, silne sprzężenie spinowe i inne cechy.Podczas tworzenia kompleksów z innymi pierwiastkami ich liczba koordynacyjna może wahać się 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 nuklearnych i inne pola.Wraz z ciągłym rozwojem materiałów kompozytowych zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich rozszerzyło się również na materiały kompozytowe, przyciągając powszechną uwagę w zakresie poprawy właściwości interfejsu między materiałami heterogenicznymi.

Główne formy zastosowania pierwiastków ziem rzadkich w przygotowaniu materiałów kompozytowych obejmują: ① dodawaniemetale ziem rzadkichdo materiałów kompozytowych;② Dodaj w formietlenki metali ziem rzadkichdo materiału kompozytowego;③ Polimery domieszkowane lub związane metalami ziem rzadkich w polimerach są stosowane jako materiały osnowy w materiałach kompozytowych.Spośród powyższych trzech form stosowania pierwiastków ziem rzadkich, pierwsze dwie formy są najczęściej dodawane do kompozytu z osnową metalową, trzecia jest stosowana głównie do kompozytów z osnową polimerową, a kompozyt z osnową ceramiczną jest dodawany głównie w drugiej postaci.

Rzadka ziemiadziała głównie na kompozyty z osnową metaliczną i kompozytem z osnową ceramiczną w postaci dodatków, stabilizatorów i dodatków spiekających, znacznie poprawiając ich właściwości użytkowe, obniżając koszty produkcji i umożliwiając ich przemysłowe zastosowanie.

Dodatek pierwiastków ziem rzadkich jako dodatków do materiałów kompozytowych odgrywa głównie rolę w poprawie wydajności interfejsu materiałów kompozytowych i promowaniu uszlachetniania ziaren metalowej osnowy.Mechanizm działania jest następujący.

① Poprawić zwilżalność pomiędzy metalową osnową 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 zwykłego metalu nieszlachetnego Fe wynosi 1,83, Ni 1,91, a Al 1,61.Dlatego pierwiastki ziem rzadkich będą preferencyjnie adsorbować na granicach ziaren metalowej osnowy i fazie wzmacniającej podczas procesu wytapiania, zmniejszając ich energię na granicy faz, zwiększając pracę adhezji na granicy faz, zmniejszając kąt zwilżania, a tym samym poprawiając zwilżalność pomiędzy osnową i faza wzmacniania.Badania wykazały, że dodatek pierwiastka La do osnowy aluminiowej skutecznie poprawia zwilżalność AlO i cieczy aluminiowej oraz poprawia mikrostrukturę materiałów kompozytowych.

② Promuj udoskonalanie ziaren metalowej osnowy.Rozpuszczalność pierwiastków ziem rzadkich w krysztale metalu jest niewielka, ponieważ promień atomowy pierwiastków ziem rzadkich jest duży, a promień atomowy metalowej osnowy jest stosunkowo mały.Wejście pierwiastków ziem rzadkich o większym promieniu do sieci matrycy spowoduje zniekształcenie sieci, co zwiększy energię systemu.Aby utrzymać najniższą energię swobodną, ​​atomy pierwiastków ziem rzadkich mogą wzbogacać się jedynie 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 komponentów i wzmacniając efekt heterogenicznego zarodkowania osnowy ciekłego metalu.Ponadto przechłodzenie spowodowane segregacją pierwiastków może również sprzyjać tworzeniu się segregowanych związków i stać się skutecznymi heterogenicznymi cząstkami zarodkowania, sprzyjając w ten sposób rozdrobnieniu ziaren metalowej osnowy.

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 charakteryzują się wysoką temperaturą topnienia i małą gęstością, część z nich można usunąć poprzez wypłynięcie z cieczy stopowej, inne zaś są równomiernie rozmieszczone w obrębie ziarna, co ogranicza segregację zanieczyszczeń na granicy ziaren, oczyszczając w ten sposób granicę ziaren i poprawiając jego siłę.

Należy zauważyć, że ze względu na wysoką aktywność i niską temperaturę topnienia metali ziem rzadkich, gdy są one dodawane do kompozytu z osnową metaliczną, ich kontakt z tlenem wymaga szczególnej kontroli podczas procesu dodawania.

Duża liczba praktyk wykazała, że ​​dodanie tlenków metali ziem rzadkich jako stabilizatorów, środków wspomagających spiekanie i modyfikatorów domieszkowania do różnych kompozytów z osnową metaliczną i kompozytem z osnową ceramiczną może znacznie poprawić wytrzymałość i udarność materiałów, obniżyć temperaturę ich spiekania, a tym samym obniżyć koszty produkcji.Główny mechanizm jego działania jest następujący.

① Jako dodatek do spiekania może wspomagać spiekanie i zmniejszać porowatość materiałów kompozytowych.Dodatek dodatków spiekających ma na celu wytworzenie fazy ciekłej w wysokich temperaturach, obniżenie temperatury spiekania materiałów kompozytowych, zahamowanie wysokotemperaturowego rozkładu materiałów podczas procesu spiekania oraz 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 metali ziem rzadkich, mogą one tworzyć fazy szkliste z innymi surowcami i sprzyjać spiekaniu, co czyni je skutecznym dodatkiem.Jednocześnie tlenek pierwiastka ziem rzadkich może również tworzyć stały roztwór z matrycą ceramiczną, co może generować wewnątrz defekty kryształów, aktywować siatkę i sprzyjać spiekaniu.

② Popraw mikrostrukturę i udoskonal wielkość ziaren.Ze względu na to, że dodane tlenki pierwiastków ziem rzadkich występują głównie na granicach ziaren osnowy, a tlenki pierwiastków ziem rzadkich ze względu na dużą objętość charakteryzują się dużą odpornością 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.Potrafią uzyskiwać drobne i jednolite ziarna, co sprzyja tworzeniu zwartych struktur;Z drugiej strony domieszkując tlenki metali ziem rzadkich wchodzą one w fazę szklaną na granicy ziaren, poprawiając wytrzymałość fazy szklistej i tym samym osiągając cel, jakim jest poprawa właściwości mechanicznych materiału.

Pierwiastki ziem rzadkich w kompozytach z osnową polimerową wpływają na nie głównie poprzez poprawę właściwości osnowy polimerowej.Tlenki metali ziem rzadkich mogą zwiększać temperaturę rozkładu termicznego polimerów, podczas gdy karboksylany metali ziem rzadkich mogą poprawiać stabilność termiczną polichlorku winylu.Domieszkowanie styropianu związkami ziem rzadkich może poprawić stabilność styropianu i znacznie zwiększyć jego udarność i wytrzymałość na zginanie.