Primjena rijetkih zemalja u kompozitnim materijalima

PrimjenaRijetka zemljau kompozitnim materijalima
Rijetkozemni elementi imaju jedinstvenu 4f elektronsku strukturu, veliki atomski magnetski moment, snažno spinsko spajanje i druge karakteristike. Prilikom formiranja kompleksa s drugim elementima, njihov koordinacijski broj može varirati od 6 do 12. Spojevi rijetkih zemalja imaju različite kristalne strukture. Posebna fizička i hemijska svojstva rijetkih zemalja čine ih široko korištenim u topljenju visokokvalitetnog čelika i obojenih metala, specijalnog stakla i visokoučinkovite keramike, materijala s permanentnim magnetima, materijala za skladištenje vodika, luminiscentnih i laserskih materijala, nuklearnih materijala i drugih oblasti. S kontinuiranim razvojem kompozitnih materijala, primjena rijetkih zemalja proširila se i na područje kompozitnih materijala, privlačeći široku pažnju u poboljšanju svojstava međupovršine između heterogenih materijala.

Glavni oblici primjene rijetkih zemalja u pripremi kompozitnih materijala uključuju: 1. dodavanjerijetki zemni metalikompozitnim materijalima; ② Dodajte u oblikuoksidi rijetkih zemaljakompozitnom materijalu; ③ Polimeri dopirani ili vezani rijetkim zemnim metalima u polimerima koriste se kao matrični materijali u kompozitnim materijalima. Među gore navedena tri oblika primjene rijetkih zemalja, prva dva oblika se uglavnom dodaju metalnim matričnim kompozitima, dok se treći uglavnom primjenjuje na polimerne matrične kompozite, a keramički matrični kompozit se uglavnom dodaje u drugom obliku.

Rijetka zemljaUglavnom djeluje na metalne matrice i keramičke kompozite u obliku aditiva, stabilizatora i aditiva za sinterovanje, značajno poboljšavajući njihove performanse, smanjujući troškove proizvodnje i omogućavajući njihovu industrijsku primjenu.

Dodavanje rijetkih zemnih elemenata kao aditiva u kompozitnim materijalima uglavnom igra ulogu u poboljšanju performansi međupovršine kompozitnih materijala i podsticanju pročišćavanja zrna metalne matrice. Mehanizam djelovanja je sljedeći.

① Poboljšajte kvašenje između metalne matrice i ojačavajuće faze. Elektronegativnost rijetkozemnih elemenata je relativno niska (što je manja elektronegativnost metala, to je aktivnija elektronegativnost nemetala). Na primjer, La je 1,1, Ce je 1,12, a Y je 1,22. Elektronegativnost uobičajenog baznog metala Fe je 1,83, Ni je 1,91, a Al je 1,61. Stoga će se rijetkozemni elementi preferencijalno adsorbirati na granice zrna metalne matrice i ojačavajuće faze tokom procesa topljenja, smanjujući njihovu energiju na granici, povećavajući adhezijski rad na granici, smanjujući ugao kvašenja i time poboljšavajući kvašenje između matrice i ojačavajuće faze. Istraživanja su pokazala da dodavanje La elementa aluminijskoj matrici efikasno poboljšava kvašenje Al₂O₃ i tečnog aluminija, te poboljšava mikrostrukturu kompozitnih materijala.

② Pospješuje pročišćavanje zrna metalne matrice. Rastvorljivost rijetkih zemalja u metalnom kristalu je mala, jer je atomski radijus elemenata rijetkih zemalja velik, a atomski radijus metalne matrice relativno mali. Ulazak elemenata rijetkih zemalja s većim radijusom u rešetku matrice uzrokovat će izobličenje rešetke, što će povećati energiju sistema. Da bi se održala najniža slobodna energija, atomi rijetkih zemalja mogu se obogaćivati ​​samo prema nepravilnim granicama zrna, što donekle ometa slobodan rast zrna matrice. Istovremeno, obogaćeni elementi rijetkih zemalja će također adsorbirati druge elemente legure, povećavajući gradijent koncentracije elemenata legure, uzrokujući lokalno pothlađenje komponenti i pojačavajući heterogeni nukleacijski efekat tečne metalne matrice. Pored toga, pothlađenje uzrokovano segregacijom elemenata također može potaknuti stvaranje segregiranih spojeva i postati efikasne heterogene nukleacijske čestice, čime se potiče pročišćavanje zrna metalne matrice.

③ Pročišćavanje granica zrna. Zbog jakog afiniteta između rijetkih zemnih elemenata i elemenata kao što su O, S, P, N itd., standardna slobodna energija formiranja oksida, sulfida, fosfida i nitrida je niska. Ovi spojevi imaju visoku tačku topljenja i nisku gustoću, od kojih se neki mogu ukloniti isplivanjem iz tečnosti legure, dok su drugi ravnomjerno raspoređeni unutar zrna, smanjujući segregaciju nečistoća na granici zrna, čime se pročišćava granica zrna i poboljšava njena čvrstoća.

Treba napomenuti da, zbog visoke aktivnosti i niske tačke topljenja rijetkih zemnih metala, kada se dodaju u metalni matrični kompozit, njihov kontakt s kisikom treba posebno kontrolirati tokom procesa dodavanja.

Veliki broj praksi je dokazao da dodavanje oksida rijetkih zemalja kao stabilizatora, pomoćnih sredstava za sinterovanje i modifikatora dopiranja različitim metalnim i keramičkim kompozitima može značajno poboljšati čvrstoću i žilavost materijala, smanjiti njihovu temperaturu sinterovanja i time smanjiti troškove proizvodnje. Glavni mehanizam djelovanja je sljedeći.

① Kao aditiv za sinterovanje, može pospješiti sinterovanje i smanjiti poroznost kompozitnih materijala. Dodavanje aditiva za sinterovanje ima za cilj stvaranje tečne faze na visokim temperaturama, smanjenje temperature sinterovanja kompozitnih materijala, inhibiranje razgradnje materijala na visokim temperaturama tokom procesa sinterovanja i dobijanje gustih kompozitnih materijala sinterovanjem u tečnoj fazi. Zbog visoke stabilnosti, slabe isparljivosti na visokim temperaturama i visokih tačaka topljenja i ključanja, oksidi rijetkih zemalja mogu formirati staklene faze s drugim sirovinama i pospješiti sinterovanje, što ih čini efikasnim aditivom. Istovremeno, oksidi rijetkih zemalja mogu formirati i čvrsti rastvor s keramičkom matricom, što može generirati kristalne defekte unutra, aktivirati rešetku i pospješiti sinterovanje.

② Poboljšava mikrostrukturu i pročišćava veličinu zrna. Zbog činjenice da se dodani oksidi rijetkih zemalja uglavnom nalaze na granicama zrna matrice i zbog njihove velike zapremine, oksidi rijetkih zemalja imaju visok otpor migraciji u strukturi, a također ometaju migraciju drugih iona, čime smanjuju brzinu migracije granica zrna, inhibiraju rast zrna i ometaju abnormalni rast zrna tokom sinterovanja na visokim temperaturama. Mogu dobiti mala i ujednačena zrna, što pogoduje formiranju gustih struktura; S druge strane, dopiranjem oksida rijetkih zemalja, oni ulaze u staklenu fazu na granicama zrna, poboljšavajući čvrstoću staklene faze i time postižući cilj poboljšanja mehaničkih svojstava materijala.

Rijetkozemni elementi u polimernim matričnim kompozitima uglavnom utiču na njih poboljšanjem svojstava polimerne matrice. Oksidi rijetkih zemalja mogu povećati temperaturu termičkog raspadanja polimera, dok karboksilati rijetkih zemalja mogu poboljšati termičku stabilnost polivinilhlorida. Dopiranje polistirena rijetkim zemnim spojevima može poboljšati stabilnost polistirena i značajno povećati njegovu udarnu čvrstoću i čvrstoću na savijanje.