Aplikácia vzácnych zemín v kompozitných materiáloch

Aplikácia zVzácna zemv kompozitných materiáloch
Prvky vzácnych zemín majú jedinečnú elektronickú štruktúru 4f, veľký atómový magnetický moment, silnú spinovú väzbu a ďalšie vlastnosti. Pri tvorbe komplexov s inými prvkami sa ich koordinačné číslo môže meniť 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 ukladanie vodíka, luminiscenčných a laserových materiálov, jadrových materiálov a ďalšie polia. S neustálym vývojom kompozitných materiálov sa aplikácia vzácnych zemín rozšírila aj do oblasti kompozitných materiálov, čo priťahuje širokú pozornosť pri zlepšovaní vlastností rozhrania medzi heterogénnymi materiálmi.

Hlavné aplikačné formy vzácnych zemín pri príprave kompozitných materiálov zahŕňajú: ① pridávaniekovy vzácnych zemínna kompozitné materiály; ② Pridajte vo formeoxidy vzácnych zemínna kompozitný materiál; ③ Polyméry dopované alebo viazané kovmi vzácnych zemín v polyméroch sa používajú ako matricové materiály v kompozitných materiáloch. Spomedzi vyššie uvedených troch foriem aplikácie vzácnych zemín sa prvé dve formy väčšinou pridávajú do kompozitu s kovovou matricou, zatiaľ čo tretia sa používa hlavne na kompozity s polymérnou matricou a kompozit s keramickou matricou sa pridáva hlavne v druhej forme.

Vzácna zeminapôsobí hlavne na kovovú matricu a keramický matricový kompozit 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 úlohu najmä pri zlepšovaní vlastností rozhrania kompozitných materiálov a podpore zjemňovania zŕn kovovej matrice. Mechanizmus účinku je nasledujúci.

① Zlepšite zmáčavosť 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 budú počas procesu tavenia prednostne adsorbovať na hraniciach zŕn kovovej matrice a výstužnej fáze, čím sa zníži ich energia rozhrania, zvýši sa adhézna práca rozhrania, zníži sa uhol zmáčania, a tým sa zlepší zmáčavosť medzi matricou. a posilňovacej fázy. Výskum ukázal, že pridanie prvku La do hliníkovej matrice účinne zlepšuje zmáčavosť AlO a hliníkovej kvapaliny a zlepšuje mikroštruktúru kompozitných materiálov.

② Podporujte zdokonaľovanie zŕn kovovej matrice. Rozpustnosť 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 matricovej mriežky spôsobí skreslenie mriežky, čo zvýši energiu systému. Na udržanie najnižšej voľnej energie sa atómy vzácnych zemín môžu obohacovať len smerom k nepravidelným hraniciam zŕn, čo do určitej miery bráni voľnému rastu matricových zŕn. Súčasne budú obohatené prvky vzácnych zemín adsorbovať aj iné zliatinové prvky, čím sa zvýši koncentračný gradient prvkov zliatiny, čo spôsobí lokálne podchladenie komponentov a zvýši sa heterogénny nukleačný efekt matrice tekutého kovu. Okrem toho podchladenie spôsobené elementárnou segregáciou môže tiež podporovať tvorbu segregovaných zlúčenín a stať sa účinnými heterogénnymi nukleačnými časticami, čím sa podporuje zjemnenie zŕn kovovej matrice.

③ Vyčistite hranice zŕn. V dôsledku silnej afinity medzi prvkami vzácnych zemín a prvkami ako O, S, P, N atď. je štandardná voľná energia tvorby oxidov, sulfidov, fosfidov a nitridov nízka. Tieto zlúčeniny majú vysokú teplotu topenia a nízku hustotu, pričom niektoré z nich možno odstrániť vyplávaním z kvapaliny zliatiny, zatiaľ čo iné sú rovnomerne rozložené v zrnách, čím sa znižuje segregácia nečistôt na hranici zŕn, čím sa prečistia hranice zŕn a zlepšenie jeho pevnosti.

Je potrebné poznamenať, že v dôsledku vysokej aktivity a nízkej teploty topenia kovov vzácnych zemín, keď sa pridávajú do kompozitu s kovovou matricou, ich kontakt s kyslíkom je potrebné počas procesu pridávania špeciálne kontrolovať.

Veľký počet praktík dokázal, že pridanie oxidov vzácnych zemín ako stabilizátorov, spekacích pomôcok a dopingových 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 pôsobenia je nasledovný.

① Ako spekacia prísada môže podporovať spekanie a znižovať pórovitosť v kompozitných materiáloch. Pridaním aditív na spekanie je vytvorenie kvapalnej fázy pri vysokých teplotách, zníženie teploty spekania kompozitných materiálov, inhibícia vysokoteplotného rozkladu materiálov počas procesu spekania a získanie hustých kompozitných materiálov pomocou spekania v kvapalnej fáze. Vďaka vysokej stabilite, nízkej prchavosti pri vysokej teplote a vysokým bodom topenia a varu oxidov vzácnych zemín môžu vytvárať sklenené fázy s inými surovinami a podporovať spekanie, čo z nich robí účinnú prísadu. Oxid vzácnych zemín môže zároveň tvoriť pevný roztok s keramickou matricou, ktorá môže vo vnútri vytvárať kryštálové defekty, aktivovať mriežku a podporovať spekanie.

② Zlepšite mikroštruktúru a zjemnite veľkosť zŕn. Vzhľadom na to, že pridané oxidy vzácnych zemín sa vyskytujú hlavne na hraniciach zŕn matrice a vďaka svojmu veľkému objemu majú oxidy vzácnych zemín vysokú odolnosť voči migrácii v štruktúre a tiež bránia migrácii iných iónov, čím sa znižuje rýchlosť migrácie hraníc zŕn, inhibícia rastu zŕn a brzdenie abnormálneho rastu zŕn počas vysokoteplotného spekania. Môžu získať malé a rovnomerné zrná, čo prispieva k tvorbe hustých štruktúr; Na druhej strane dopovaním oxidov vzácnych zemín vstupujú do sklenej fázy na hranici zŕn, čím zlepšujú pevnosť sklenej fázy a tým dosahujú cieľ zlepšenia mechanických vlastností materiálu.

Prvky vzácnych zemín v kompozitoch s polymérnou matricou ich ovplyvňujú najmä zlepšovaním 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 pevnosť a pevnosť v ohybe.