Primjena rijetkih zemalja u kompozitnim materijalima

Primjena ofRare Earthu Kompozitni materijali
Elementi rijetkih zemalja imaju jedinstvenu elektronsku strukturu 4f, veliki atomski magnetni moment, snažnu spinsku spregu i druge karakteristike. Prilikom formiranja kompleksa s drugim elementima, njihov koordinacijski broj može varirati od 6 do 12. Jedinjenja rijetkih zemalja imaju različite kristalne strukture. Posebna fizička i hemijska svojstva rijetkih zemalja čine ih širokom primjenom u topljenju visokokvalitetnog čelika i obojenih metala, specijalnog stakla i keramike visokih performansi, materijala s trajnim magnetima, materijala za skladištenje vodika, luminiscentnih i laserskih materijala, nuklearnih materijala , i druga polja. Uz kontinuirani razvoj kompozitnih materijala, primjena rijetkih zemalja proširila se i na područje kompozitnih materijala, privlačeći široku pažnju u poboljšanju svojstava međusklopa između heterogenih materijala.

Glavni oblici primjene rijetkih zemalja u pripremi kompozitnih materijala uključuju: ① dodavanjeretkih zemnih metalana kompozitne materijale; ② Dodajte u oblikuoksidi rijetkih zemaljana kompozitni materijal; ③ Polimeri dopirani ili vezani retkim zemnim metalima u polimerima se koriste kao matrični materijali u kompozitnim materijalima. Među tri navedena 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 kompoziti se uglavnom dodaju u drugom obliku.

Rijetka zemljauglavnom djeluje na metalnu matricu i keramičku matričnu kompozitu u obliku aditiva, stabilizatora i aditiva za sinterovanje, značajno poboljšavajući njihove performanse, smanjujući troškove proizvodnje i omogućavajući njegovu industrijsku primjenu.

Dodavanje elemenata retkih zemalja kao aditiva u kompozitnim materijalima uglavnom igra ulogu u poboljšanju performansi interfejsa kompozitnih materijala i promociji rafiniranja zrna metalne matrice. Mehanizam djelovanja je sljedeći.

① Poboljšajte vlaženje između metalne matrice i faze ojačanja. Elektronegativnost rijetkih zemljanih 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 običnog običnog metala Fe je 1,83, Ni je 1,91, a Al je 1,61. Zbog toga će elementi rijetkih zemalja preferencijalno adsorbirati na granicama zrna metalne matrice i faze ojačanja tokom procesa topljenja, smanjujući njihovu energiju međusloja, povećavajući rad prianjanja na graničnoj površini, smanjujući kut vlaženja i na taj način poboljšavajući kvašenje između matrice. i faza pojačanja. Istraživanja su pokazala da dodavanje La elementa u aluminijsku matricu efikasno poboljšava kvašenje AlO i aluminijske tekućine, te poboljšava mikrostrukturu kompozitnih materijala.

② Promovirajte prefinjenost zrna metalne matrice. Rastvorljivost rijetke zemlje u metalnom kristalu je mala, jer je atomski radijus rijetkih zemnih elemenata velik, a atomski radijus metalne matrice relativno mali. Ulazak rijetkih zemljanih elemenata većeg radijusa u rešetku matrice će uzrokovati distorziju rešetke, što će povećati energiju sistema. Da bi održali najnižu slobodnu energiju, atomi rijetkih zemalja mogu se obogatiti samo prema nepravilnim granicama zrna, što u određenoj mjeri ometa slobodan rast zrna matriksa. U isto vrijeme, obogaćeni elementi rijetkih zemalja će također adsorbirati druge elemente legure, povećavajući gradijent koncentracije legiranih elemenata, uzrokujući podhlađenje lokalne komponente i pojačavajući heterogeni nukleacijski učinak matrice tekućeg metala. Osim toga, nedovoljno hlađenje uzrokovano elementarnom segregacijom također može promovirati stvaranje odvojenih jedinjenja i postati efikasne heterogene nukleacijske čestice, čime se promoviše rafiniranje zrna metalne matrice.

③ Pročistite granice zrna. Zbog snažnog 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. Ova jedinjenja imaju visoku tačku topljenja i malu gustinu, od kojih se neki mogu ukloniti isplivavanjem iz tečnosti legure, dok su drugi ravnomerno raspoređeni unutar zrna, smanjujući segregaciju nečistoća na granici zrna, čime se pročišćavaju granice zrna i poboljšanje njegove snage.

Treba napomenuti da, zbog visoke aktivnosti i niske tačke topljenja retkih zemnih metala, kada se dodaju u kompozit metalne matrikse, njihov kontakt sa kiseonikom treba posebno kontrolisati tokom procesa dodavanja.

Veliki broj praksi je dokazao da dodavanje oksida rijetkih zemalja kao stabilizatora, pomoćnih sredstava za sinteriranje i doping modifikatora različitim metalnim matričnim i keramičkim matričnim kompozitima može uvelike poboljšati čvrstoću i žilavost materijala, smanjiti njihovu temperaturu sinteriranja, a samim tim i smanjiti troškove proizvodnje. Glavni mehanizam njegovog djelovanja je sljedeći.

① Kao aditiv za sinterovanje, može potaknuti sinterovanje i smanjiti poroznost kompozitnih materijala. Dodavanje aditiva za sinterovanje je stvaranje tečne faze na visokim temperaturama, smanjenje temperature sinterovanja kompozitnih materijala, inhibiranje visokotemperaturne razgradnje materijala tokom procesa sinterovanja i dobijanje gustih kompozitnih materijala sinterovanjem u tečnoj fazi. Zbog visoke stabilnosti, slabe hlapljivosti na visokim temperaturama i visokih tačaka topljenja i ključanja oksida rijetkih zemalja, mogu formirati staklene faze s drugim sirovinama i podsticati sinterovanje, što ih čini efikasnim aditivom. U isto vrijeme, oksid rijetkih zemalja također može formirati čvrstu otopinu s keramičkom matricom, koja može stvoriti kristalne defekte unutar, aktivirati rešetku i promovirati sinteriranje.

② Poboljšati mikrostrukturu i poboljšati veličinu zrna. Zbog činjenice da dodani oksidi rijetkih zemalja uglavnom postoje na granicama zrna matrice, a zbog svoje velike zapremine, oksidi rijetkih zemalja imaju visoku otpornost na migraciju u strukturi, a također ometaju migraciju drugih jona, čime se smanjuje brzina migracije granica zrna, inhibiranje rasta zrna i ometanje abnormalnog rasta zrna tokom visokotemperaturnog sinterovanja. Mogu dobiti sitna i ujednačena zrna, što je pogodno za formiranje gustih struktura; S druge strane, dopiranjem oksida rijetkih zemalja, oni ulaze u graničnu staklenu fazu, poboljšavajući čvrstoću staklene faze i na taj način postižući cilj poboljšanja mehaničkih svojstava materijala.

Rijetkozemni elementi u kompozitima polimerne matrice uglavnom utiču na njih poboljšavajući svojstva polimerne matrice. Oksidi rijetkih zemalja mogu povećati temperaturu termičkog raspadanja polimera, dok karboksilati rijetkih zemalja mogu poboljšati termičku stabilnost polivinil hlorida. Dopiranje polistirena spojevima rijetkih zemalja može poboljšati stabilnost polistirena i značajno povećati njegovu udarnu čvrstoću i čvrstoću na savijanje.