Primjena rijetkih zemalja u kompozitnim materijalima

Primjena odRijetke zemljeu kompozitnim materijalima
Elementi rijetke zemlje imaju jedinstvenu 4f elektronsku strukturu, veliki atomski magnetski moment, jaku spinsku spregu i druge karakteristike. Kada formiraju komplekse s drugim elementima, njihov koordinacijski broj može varirati od 6 do 12. Spojevi rijetkih zemalja imaju različite kristalne strukture. Posebna fizikalna i kemijska svojstva rijetkih zemalja čine ih naširoko primjenjivima 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 također se proširila na polje kompozitnih materijala, privlačeći široku pozornost u poboljšanju svojstava sučelja između heterogenih materijala.

Glavni oblici primjene rijetke zemlje u pripremi kompozitnih materijala uključuju: ① dodavanjemetali rijetke zemljena kompozitne materijale; ② Dodajte u oblikuoksidi rijetkih zemaljana kompozitni materijal; ③ Polimeri dopirani ili vezani metalima rijetke zemlje u polimerima koriste se kao matrični materijali u kompozitnim materijalima. Među gornja tri oblika primjene rijetkih zemalja, prva dva oblika uglavnom se dodaju kompozitu s metalnom matricom, dok se treći uglavnom primjenjuje na kompozite s polimernom matricom, a kompozit s keramičkom matricom uglavnom se dodaje u drugom obliku.

Rijetke zemljeuglavnom djeluje na kompozite s metalnom matricom i keramičkom matricom u obliku aditiva, stabilizatora i aditiva za sinteriranje, uvelike poboljšavajući njihovu izvedbu, smanjujući troškove proizvodnje i omogućujući njegovu industrijsku primjenu.

Dodavanje elemenata rijetke zemlje kao aditiva u kompozitnim materijalima uglavnom igra ulogu u poboljšanju performansi sučelja kompozitnih materijala i promicanju profinjenosti zrna metalne matrice. Mehanizam djelovanja je sljedeći.

① Poboljšajte sposobnost vlaženja između metalne matrice i faze za ojačanje. Elektronegativnost elemenata rijetkih zemalja 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 osnovnog metala Fe je 1,83, Ni je 1,91, a Al je 1,61. Stoga će se elementi rijetkih zemalja prvenstveno adsorbirati na granicama zrna metalne matrice i faze pojačanja tijekom procesa taljenja, smanjujući njihovu energiju međupovršine, povećavajući rad prianjanja sučelja, smanjujući kut vlaženja i time poboljšavajući sposobnost vlaženja između matrice i faza pojačanja. Istraživanje je pokazalo da dodatak La elementa aluminijskoj matrici učinkovito poboljšava sposobnost vlaženja AlO i aluminijske tekućine, te poboljšava mikrostrukturu kompozitnih materijala.

② Promovirajte pročišćavanje zrna metalne matrice. Topivost rijetke zemlje u metalnom kristalu je mala, jer je atomski radijus elemenata rijetke zemlje velik, a atomski radijus metalne matrice je relativno mali. Ulazak elemenata rijetke zemlje s većim radijusom u rešetku matrice uzrokovat će distorziju rešetke, što će povećati energiju sustava. Kako bi održali najnižu slobodnu energiju, atomi rijetkih zemalja mogu se obogatiti samo prema nepravilnim granicama zrna, što u određenoj mjeri sprječava slobodan rast zrna matrice. U isto vrijeme, obogaćeni elementi rijetke zemlje također će adsorbirati druge elemente legure, povećavajući gradijent koncentracije elemenata legure, uzrokujući podhlađenje lokalne komponente i pojačavajući učinak heterogenog nukleacije matrice tekućeg metala. Dodatno, podhlađenje uzrokovano elementarnom segregacijom također može pospješiti stvaranje odvojenih spojeva i postati učinkovite heterogene nukleacijske čestice, čime se potiče pročišćavanje zrna metalne matrice.

③ Pročistite granice zrna. Zbog jakog afiniteta između elemenata rijetkih zemalja i elemenata kao što su O, S, P, N itd., standardna slobodna energija stvaranja oksida, sulfida, fosfida i nitrida je niska. Ovi spojevi imaju visoko talište i nisku gustoću, od kojih se neki mogu ukloniti isplivavanjem iz tekućine legure, dok su drugi ravnomjerno raspoređeni unutar zrna, smanjujući odvajanje nečistoća na granici zrna, čime se pročišćavaju granice zrna i poboljšavajući njegovu snagu.

Treba napomenuti da, zbog visoke aktivnosti i niskog tališta metala rijetkih zemalja, kada se dodaju kompozitu metalne matrice, njihov kontakt s kisikom treba posebno kontrolirati tijekom procesa dodavanja.

Velik broj praksi je dokazao da dodavanje oksida rijetkih zemalja kao stabilizatora, pomoćnih sredstava za sinteriranje i modifikatora dopinga različitim kompozitima s metalnom matricom i keramičkom matricom može uvelike poboljšati čvrstoću i žilavost materijala, smanjiti njihovu temperaturu sinteriranja i time smanjiti troškove proizvodnje. Glavni mehanizam njegovog djelovanja je sljedeći.

① Kao aditiv za sinteriranje, može pospješiti sinteriranje i smanjiti poroznost u kompozitnim materijalima. Dodatak aditiva za sinteriranje služi za stvaranje tekuće faze na visokim temperaturama, smanjenje temperature sinteriranja kompozitnih materijala, sprječavanje visokotemperaturne razgradnje materijala tijekom procesa sinteriranja i dobivanje gustih kompozitnih materijala sinteriranjem u tekućoj fazi. Zbog visoke stabilnosti, slabe hlapljivosti na visokim temperaturama i visokih tališta i vrelišta oksida rijetkih zemalja, oni mogu formirati staklene faze s drugim sirovinama i pospješiti sinteriranje, što ih čini učinkovitim aditivom. U isto vrijeme, oksid rijetke zemlje također može formirati čvrstu otopinu s keramičkom matricom, što može generirati kristalne defekte unutar, aktivirati rešetku i pospješiti sinteriranje.

② Poboljšajte mikrostrukturu i pročistite veličinu zrna. Zbog činjenice da dodani oksidi rijetkih zemalja uglavnom postoje na granicama zrna matrice i zbog svog velikog volumena, oksidi rijetkih zemalja imaju visoku migracijsku otpornost u strukturi, a također ometaju migraciju drugih iona, čime se smanjuje brzina migracije granica zrna, inhibiranje rasta zrna i sprječavanje abnormalnog rasta zrna tijekom visokotemperaturnog sinteriranja. Mogu dobiti mala i ujednačena zrna, što pogoduje stvaranju gustih struktura; S druge strane, dopiranjem oksida rijetkih zemalja oni ulaze u staklenu fazu granica zrna, poboljšavajući čvrstoću staklene faze i time postižući cilj poboljšanja mehaničkih svojstava materijala.

Elementi rijetkih zemalja u kompozitima polimerne matrice uglavnom utječu na njih poboljšavajući svojstva polimerne matrice. Oksidi rijetkih zemalja mogu povećati temperaturu toplinske razgradnje polimera, dok karboksilati rijetkih zemalja mogu poboljšati toplinsku stabilnost polivinil klorida. Dopiranje polistirena spojevima rijetkih zemalja može poboljšati stabilnost polistirena i značajno povećati njegovu udarnu čvrstoću i čvrstoću na savijanje.