Primjena rijetke zemlje u kompozitnim materijalima

PrimjenaRijetka zemljau složenim materijalima
Rijetki elementi Zemlje imaju jedinstvenu elektroničku strukturu 4F, veliki atomski magnetski trenutak, snažno spajanje i druge karakteristike. Prilikom formiranja kompleksa s drugim elementima, njihov koordinacijski broj može varirati od 6 do 12. Rijetki zemaljski spojevi imaju različite kristalne strukture. Posebna fizička i kemijska svojstva rijetkih zemalja čine ih široko korištenim u topljenju visokokvalitetnih čeličnih i obojenih metala, posebnog stakla i keramike visokih performansi, trajnih materijala magneta, materijala za skladištenje vodika, luminescentnih i laserskih materijala, nuklearnih materijala i drugih polja. S kontinuiranim razvojem kompozitnih materijala, primjena rijetkih Zemlja također se proširila na polje kompozitnih materijala, privlačeći široku pažnju u poboljšanju svojstava sučelja između heterogenih materijala.

Glavni oblik zahtjeva rijetke Zemlje u pripremi kompozitnih materijala uključuje: ① DodavanjeRijetki metali Zemljena složene materijale; ② Dodaj u oblikurijetki zemaljski oksidina složeni materijal; ③ Polimeri dopirani ili vezani s rijetkim metalima Zemlje u polimerima koriste se kao matrični materijali u kompozitnim materijalima. Među gore navedena tri oblika nanošenja rijetke zemlje, prva dva oblika uglavnom se dodaju u kompozit metalne matrice, dok se treći uglavnom primjenjuje na kompozite polimerne matrice, a keramički kompozit matrice uglavnom se dodaje u drugom obliku.

Rijetka zemljaUglavnom djeluje na kompozit metalne matrice i keramičke matrice u obliku aditiva, stabilizatora i aditiva za sinteriranje, uvelike poboljšavajući njihove performanse, smanjujući troškove proizvodnje i omogućavajući njegovu industrijsku primjenu.

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

① Poboljšajte vlažnost između metalne matrice i faze ojačavanja. 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 1,22. Elektronegativnost uobičajenog baznog metala Fe je 1,83, ni je 1,91, a Al je 1,61. Stoga će se rijetki elementi Zemlje preferirano adsorbirati na granicama zrna metalne matrice i faze ojačanja tijekom procesa topljenja, smanjujući njihovu energiju sučelja, povećavajući rad sučelja, smanjujući kut za vezanje i na taj način poboljšati moćnost između matrice i faze pojačanja. Istraživanje je pokazalo da dodavanje LA elementa aluminijskoj matrici učinkovito poboljšava vlažnost ALO i aluminijske tekućine i poboljšava mikrostrukturu kompozitnih materijala.

② Promovirajte usavršavanje zrna metalne matrice. Topivost rijetke zemlje u metalnom kristalu je mala, jer je atomski polumjer rijetkih zemaljskih elemenata velik, a atomski polumjer metalne matrice relativno mali. Ulazak rijetkih zemaljskih elemenata s većim polumjerom u rešetku matrice uzrokovat će izobličenje rešetke, što će povećati energiju sustava. Da bi održali najnižu slobodnu energiju, rijetki atomi Zemlje mogu se samo obogatiti prema nepravilnim granicama zrna, što u određenoj mjeri ometa slobodni rast zrna matrice. Istodobno, obogaćeni elementi rijetkih zemalja također će adsorbirati druge elemente legura, povećavajući gradijent koncentracije elemenata legura, uzrokujući lokalnu komponentu podmukla i pojačavajući heterogeni učinak nukleacije tekućih metalnih matrica. Osim toga, podmuklo je uzrokovano elementarnom segregacijom također može promovirati stvaranje segregiranih spojeva i postati učinkovite heterogene čestice nukleacije, promičući na taj način usavršavanje zrna metalne matrice.

③ Pročišćavanje granica zrna. Zbog snažnog afiniteta između rijetkih zemaljskih elemenata i elemenata poput O, S, P, N itd., Standardna slobodna energija stvaranja oksida, sulfida, fosfida i nitrida je niska. Ovi spojevi imaju visoku točku topljenja i nisku gustoću, od kojih se neki mogu ukloniti plutajućim iz tekućine od legure, dok su drugi ravnomjerno raspoređeni unutar zrna, smanjujući segregaciju nečistoća na granici zrna, čime se pročišćava granica zrna i poboljšava njegovu snagu.

Treba napomenuti da, zbog visoke aktivnosti i niske taljene točke rijetkih zemaljskih metala, kada se dodaju u kompozit metalne matrice, njihov kontakt s kisikom mora se posebno kontrolirati tijekom postupka dodavanja.

Veliki broj praksi dokazao je da dodavanje rijetkih zemaljskih oksida kao stabilizatora, pomagala za sinterovanje i doping modifikatora različitih metalnih matrica i kompozita keramičke matrice može uvelike poboljšati snagu i žilavost materijala, smanjiti temperaturu sinteriranja i na taj način smanjiti troškove proizvodnje. Glavni mehanizam njegovog djelovanja je sljedeći.

① Kao dodatak za sintering, može promicati sinterovanje i smanjiti poroznost u kompozitnim materijalima. Dodavanje aditiva za sintering je stvaranje tekuće faze pri visokim temperaturama, smanjiti temperaturu sinteriranja kompozitnih materijala, inhibiranje raspadanja visokotemperaturnih materijala tijekom procesa sinteriranja i dobivanje gustih kompozitnih materijala kroz sinteru tekuće faze. Zbog visoke stabilnosti, slabe hlapljivosti visoke temperature i visokih točaka topljenja i ključanja rijetkih zemaljskih oksida, oni mogu formirati staklene faze s drugim sirovinama i promicati sintering, što ih čini učinkovitim aditivom. Istodobno, rijetki zemaljski oksid također može formirati čvrstu otopinu s keramičkom matricom, koja može stvoriti kristalne nedostatke iznutra, aktivirati rešetku i promicati sintering.

② Poboljšajte mikrostrukturu i pročistite veličinu zrna. Zbog činjenice da dodani rijetki zemaljski oksidi uglavnom postoje na granicama zrna matrice, a zbog njihovog velikog volumena, rijetki oksidi zemalja imaju visoku otpornost na migraciju u strukturi, a također ometaju migraciju drugih iona, smanjujući na taj način stopu migracije zrna granica zrna, inhibirajući rast zrna tijekom visokog rasta zrna. Oni mogu dobiti mala i ujednačena zrna koja pogoduju stvaranju gustih struktura; S druge strane, dopingiranjem rijetkih zemaljskih oksida ulaze u fazu stakla zrna, poboljšavajući čvrstoću staklene faze i tako postižući cilj poboljšanja mehaničkih svojstava materijala.

Rijetki zemaljski elementi u kompozitima polimerne matrice uglavnom utječu na njih poboljšavajući svojstva polimerne matrice. Rijetki zemaljski oksidi mogu povećati temperaturu toplinske raspadanja polimera, dok rijetki zemaljski karboksilati mogu poboljšati toplinsku stabilnost polivinil klorida. Doping polistiren s rijetkim zemaljskim spojevima može poboljšati stabilnost polistirena i značajno povećati njegovu snagu udara i čvrstoću savijanja.