AplikáciaVzácna zemv kompozitných materiáloch
Prvky vzácnych zemín majú jedinečnú 4f elektrónovú štruktúru, veľký atómový magnetický moment, silnú spinovú väzbu a ďalšie vlastnosti. Pri tvorbe komplexov s inými prvkami sa ich koordinačné číslo môže pohybovať od 6 do 12. Zlúčeniny vzácnych zemín majú rôzne kryštálové štruktúry. Špeciálne fyzikálne a chemické vlastnosti vzácnych zemín ich robia široko používanými pri tavení vysoko kvalitnej ocele a neželezných kovov, špeciálneho skla a vysokovýkonnej keramiky, materiálov s permanentnými magnetmi, materiálov na skladovanie vodíka, luminiscenčných a laserových materiálov, jadrových materiálov a ďalších oblastí. S neustálym vývojom kompozitných materiálov sa použitie vzácnych zemín rozšírilo aj do oblasti kompozitných materiálov, čo priťahuje širokú pozornosť pri zlepšovaní vlastností rozhrania medzi heterogénnymi materiálmi.
Hlavné formy použitia vzácnych zemín pri príprave kompozitných materiálov zahŕňajú: ① pridaniekovy vzácnych zemíndo kompozitných materiálov; ② Pridajte vo formeoxidy vzácnych zemíndo kompozitného materiálu; ③ Polyméry dopované alebo viazané kovmi vzácnych zemín sa používajú ako matricové materiály v kompozitných materiáloch. Z vyššie uvedených troch foriem použitia vzácnych zemín sa prvé dve formy prevažne pridávajú do kompozitov s kovovou matricou, tretia sa prevažne používa v polymérnych kompozitoch a keramická matricová kompozitná forma sa prevažne pridáva v druhej forme.
Vzácna zempôsobí hlavne na kovové a keramické kompozity vo forme prísad, stabilizátorov a spekacích prísad, čím výrazne zlepšuje ich výkon, znižuje výrobné náklady a umožňuje ich priemyselné využitie.
Pridanie prvkov vzácnych zemín ako prísad do kompozitných materiálov zohráva hlavnú úlohu pri zlepšovaní vlastností rozhrania kompozitných materiálov a podpore zjemňovania zŕn kovovej matrice. Mechanizmus účinku je nasledujúci.
① Zlepšenie zmáčateľnosti medzi kovovou matricou a výstužnou fázou. Elektronegativita prvkov vzácnych zemín je relatívne nízka (čím menšia je elektronegativita kovov, tým aktívnejšia je elektronegativita nekovov). Napríklad La je 1,1, Ce je 1,12 a Y je 1,22. Elektronegativita bežného základného kovu Fe je 1,83, Ni je 1,91 a Al je 1,61. Preto sa prvky vzácnych zemín počas procesu tavenia prednostne adsorbujú na hranice zŕn kovovej matrice a výstužnej fázy, čím sa znižuje ich energia na rozhraní, zvyšuje sa adhézna práca na rozhraní, znižuje sa uhol zmáčania a tým sa zlepšuje zmáčateľnosť medzi matricou a výstužnou fázou. Výskum ukázal, že pridanie prvku La do hliníkovej matrice účinne zlepšuje zmáčateľnosť Al₂O₃ a tekutého hliníka a zlepšuje mikroštruktúru kompozitných materiálov.
② Podpora zjemňovania zŕn kovovej matrice. Rozpustnosť prvkov vzácnych zemín v kryštáloch kovu je malá, pretože atómový polomer prvkov vzácnych zemín je veľký a atómový polomer kovovej matrice je relatívne malý. Vstup prvkov vzácnych zemín s väčším polomerom do mriežky matrice spôsobí skreslenie mriežky, čo zvýši energiu systému. Aby sa udržala najnižšia voľná energia, atómy vzácnych zemín sa môžu obohacovať iba smerom k nepravidelným hraniciam zŕn, čo do istej miery bráni voľnému rastu zŕn matrice. Zároveň obohatené prvky vzácnych zemín adsorbujú aj iné prvky zliatiny, čím sa zvyšuje koncentračný gradient prvkov zliatiny, čo spôsobuje lokálne podchladenie zložiek a zvyšuje heterogénny nukleačný efekt tekutej kovovej matrice. Okrem toho podchladenie spôsobené segregáciou prvkov môže tiež podporovať tvorbu segregovaných zlúčenín a stať sa účinnými heterogénnymi nukleačnými časticami, čím sa podporuje zjemňovanie zŕn kovovej matrice.
③ Čistenie hraníc zŕn. Vzhľadom na silnú afinitu medzi prvkami vzácnych zemín a prvkami, ako sú O, S, P, N atď., je štandardná voľná energia tvorby oxidov, sulfidov, fosfidov a nitridov nízka. Tieto zlúčeniny majú vysoký bod topenia a nízku hustotu, pričom niektoré z nich sa dajú odstrániť vyplávaním z kvapaliny zliatiny, zatiaľ čo iné sú rovnomerne rozložené v zrne, čím sa znižuje segregácia nečistôt na hranici zŕn, čím sa čistí hranica zŕn a zlepšuje sa jej pevnosť.
Treba poznamenať, že vzhľadom na vysokú aktivitu a nízky bod topenia kovov vzácnych zemín je potrebné pri ich pridávaní do kompozitu s kovovou matricou počas procesu pridávania osobitne kontrolovať ich kontakt s kyslíkom.
Veľké množstvo postupov preukázalo, že pridanie oxidov vzácnych zemín ako stabilizátorov, spekacích prísad a dopujúcich modifikátorov do rôznych kompozitov s kovovou matricou a keramickou matricou môže výrazne zlepšiť pevnosť a húževnatosť materiálov, znížiť ich teplotu spekania a tým znížiť výrobné náklady. Hlavný mechanizmus jeho účinku je nasledovný.
① Ako spekacia prísada môže podporovať spekanie a znižovať pórovitosť kompozitných materiálov. Pridanie spekacích prísad má za cieľ vytvoriť kvapalnú fázu pri vysokých teplotách, znížiť teplotu spekania kompozitných materiálov, zabrániť rozkladu materiálov pri vysokých teplotách počas procesu spekania a získať husté kompozitné materiály spekaním v kvapalnej fáze. Vďaka vysokej stabilite, nízkej prchavosti pri vysokých teplotách a vysokým bodom topenia a varu môžu oxidy vzácnych zemín s inými surovinami tvoriť sklené fázy a podporovať spekanie, čo z nich robí účinnú prísadu. Zároveň môže oxid vzácnych zemín tvoriť tuhý roztok s keramickou matricou, čo môže vo vnútri generovať kryštalické defekty, aktivovať mriežku a podporovať spekanie.
② Zlepšenie mikroštruktúry a zjemnenie veľkosti zŕn. Vzhľadom na to, že pridané oxidy vzácnych zemín sa nachádzajú prevažne na hraniciach zŕn matrice a vzhľadom na ich veľký objem majú oxidy vzácnych zemín vysoký migračný odpor v štruktúre a tiež bránia migrácii iných iónov, čím znižujú rýchlosť migrácie hraníc zŕn, inhibujú rast zŕn a bránia abnormálnemu rastu zŕn počas vysokoteplotného spekania. Môžu dosiahnuť malé a rovnomerné zrná, čo prispieva k tvorbe hustých štruktúr; Na druhej strane, dopovaním oxidov vzácnych zemín vstupujú do sklenenej fázy na hraniciach zŕn, čím sa zlepšuje pevnosť sklenenej fázy a tým sa dosahuje cieľ zlepšenia mechanických vlastností materiálu.
Prvky vzácnych zemín v polymérnych matricových kompozitoch ich ovplyvňujú najmä zlepšením vlastností polymérnej matrice. Oxidy vzácnych zemín môžu zvýšiť teplotu tepelného rozkladu polymérov, zatiaľ čo karboxyláty vzácnych zemín môžu zlepšiť tepelnú stabilitu polyvinylchloridu. Dopovanie polystyrénu zlúčeninami vzácnych zemín môže zlepšiť stabilitu polystyrénu a výrazne zvýšiť jeho rázovú húževnatosť a pevnosť v ohybe.
Čas uverejnenia: 26. apríla 2023