PrimjenaRijetka zemljau kompozitnim materijalima
Rijetkozemni elementi imaju jedinstvenu 4f elektroničku strukturu, veliki atomski magnetski moment, snažno spinsko spajanje i druge karakteristike. Pri stvaranju kompleksa s drugim elementima, njihov koordinacijski broj može varirati od 6 do 12. Spojevi rijetkozemnih elemenata imaju različite kristalne strukture. Posebna fizikalna i kemijska svojstva rijetkozemnih elemenata čine ih široko korištenima u taljenju visokokvalitetnog čelika i obojenih metala, posebnog stakla i visokoučinkovite keramike, materijala s permanentnim magnetima, materijala za pohranu vodika, luminiscentnih i laserskih materijala, nuklearnih materijala i drugih područja. S kontinuiranim razvojem kompozitnih materijala, primjena rijetkozemnih elemenata proširila se i na područje kompozitnih materijala, privlačeći široku pozornost 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 sinteriranje, znatno poboljšavajući njihove performanse, smanjujući troškove proizvodnje i omogućujući njihovu industrijsku primjenu.
Dodavanje rijetkih zemnih elemenata kao aditiva u kompozitnim materijalima uglavnom igra ulogu u poboljšanju performansi međupovršine kompozitnih materijala i poticanju 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 tijekom procesa taljenja, smanjujući njihovu energiju na granici, povećavajući adhezijski rad na granici, smanjujući kut kvašenja i time poboljšavajući kvašenje između matrice i ojačavajuće faze. Istraživanja su pokazala da dodavanje elementa La u aluminijsku matricu učinkovito poboljšava kvašenje Al₂O₃ i aluminijeve tekućine te poboljšava mikrostrukturu kompozitnih materijala.
② Poticanje pročišćavanja zrna metalne matrice. Topljivost 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 sustava. Kako 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 također će adsorbirati druge elemente legure, povećavajući gradijent koncentracije elemenata legure, uzrokujući lokalno pothlađenje komponenti i pojačavajući heterogeni nukleacijski učinak tekuće metalne matrice. Osim toga, pothlađenje uzrokovano segregacijom elemenata također može potaknuti stvaranje segregiranih spojeva i postati učinkovite heterogene nukleacijske čestice, čime se potiče pročišćavanje zrna metalne matrice.
③ Pročišćavanje granica zrna. Zbog jakog afiniteta između rijetkozemnih 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 taljenja i nisku gustoću, od kojih se neki mogu ukloniti isplivanjem iz tekućine legure, dok su drugi ravnomjerno raspoređeni unutar zrna, smanjujući segregaciju nečistoća na granici zrna, čime se pročišćava granica zrna i poboljšava njezina čvrstoća.
Treba napomenuti da, zbog visoke aktivnosti i niske točke taljenja rijetkih zemnih metala, kada se dodaju u metalni matrični kompozit, njihov kontakt s kisikom treba posebno kontrolirati tijekom procesa dodavanja.
Veliki broj praksi dokazao je da dodavanje oksida rijetkih zemalja kao stabilizatora, pomoćnih sredstava za sinteriranje i modifikatora dopiranja različitim metalnim i keramičkim kompozitima može uvelike poboljšati čvrstoću i žilavost materijala, smanjiti temperaturu sinteriranja i time smanjiti troškove proizvodnje. Glavni mehanizam djelovanja je sljedeći.
① Kao aditiv za sinteriranje, može potaknuti sinteriranje i smanjiti poroznost kompozitnih materijala. Dodavanje aditiva za sinteriranje ima za cilj stvaranje tekuće faze na visokim temperaturama, smanjenje temperature sinteriranja kompozitnih materijala, sprječavanje raspadanja materijala na visokim temperaturama 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, rijetkozemni oksidi mogu s drugim sirovinama formirati staklene faze i potaknuti sinteriranje, što ih čini učinkovitim aditivom. Istovremeno, rijetkozemni oksid može također formirati čvrstu otopinu s keramičkom matricom, što može stvoriti kristalne defekte unutra, aktivirati rešetku i potaknuti sinteriranje.
② Poboljšava mikrostrukturu i pročišćava veličinu zrna. Zbog činjenice da se dodani oksidi rijetkih zemalja uglavnom nalaze na granicama zrna matrice i zbog svog velikog volumena, oksidi rijetkih zemalja imaju visok otpor migraciji u strukturi, a također ometaju migraciju drugih iona, čime se smanjuje brzina migracije granica zrna, inhibira rast zrna i sprječava abnormalni rast zrna tijekom sinteriranja na visokim temperaturama. Mogu se dobiti mala i ujednačena zrna, što pogoduje stvaranju 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 utječu na njih poboljšanjem svojstava polimerne matrice. Rijetkozemni oksidi mogu povećati temperaturu toplinskog raspadanja polimera, dok rijetkozemni karboksilati mogu poboljšati toplinsku stabilnost polivinilklorida. Dopiranje polistirena rijetkozemnim spojevima može poboljšati stabilnost polistirena i značajno povećati njegovu udarnu čvrstoću i čvrstoću na savijanje.
Vrijeme objave: 26. travnja 2023.