Aplikácia vzácnej zeme v kompozitných materiáloch

UplatňovanieVzácna zemv kompozitných materiáloch
Prvky vzácnych zemín majú jedinečnú elektronickú štruktúru 4F, veľký atómový magnetický moment, silné spinové spojenie a ďalšie vlastnosti. Pri tvorbe komplexov s inými prvkami sa ich koordinačné číslo môže meniť od 6 do 12. Zlúčeniny vzácnych zemín majú rôzne kryštalické štruktúry. Špeciálne fyzikálne a chemické vlastnosti vzácnych zemín ich robia široko používané pri tavenovaní vysoko kvalitných oceľových a neželezných kovov, špeciálnych sklenených a vysoko výkonných keramiky, materiálov na permanentné magnetické materiály, materiály na skladovanie vodíka, luminiscent a laserové materiály, jadrové materiály a iné polia. Pri nepretržitom vývoji kompozitných materiálov sa aplikácia vzácnych Zeme rozšírila aj na oblasť kompozitných materiálov, pričom pri zlepšovaní vlastností rozhrania medzi heterogénnymi materiálmi priťahovala rozsiahlu pozornosť.

Hlavné formy žiadosti vzácnej Zeme pri príprave kompozitných materiálov zahŕňajú: ① pridaniekovy vzácnych zemíndo kompozitných materiálov; ② pridať do podobyoxidy vzácnych zemíndo kompozitného materiálu; ③ Polyméry dopované alebo spojené so vzácnymi zemskými kovmi 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 kovovej matrice, zatiaľ čo tretí sa aplikuje hlavne na kompozity matrice polymérnej matrice a kompozit keramickej matrice sa pridáva hlavne v druhej forme.

Vzácna zemPôsobí hlavne na kompozit kovovej matrice a keramickej matrice vo forme prísad, stabilizátorov a spekaných prísad, výrazne zlepšuje ich výkon, znižuje výrobné náklady a umožňuje jeho priemyselné uplatňovanie.

Pridanie prvkov vzácnych zemín ako prísad v kompozitných materiáloch hrá hlavne úlohu pri zlepšovaní výkonu rozhrania kompozitných materiálov a propagácii vylepšenia zŕn kovových matíc. Mechanizmus pôsobenia je nasledujúci.

① Zlepšite zmáčateľnosť medzi kovovou matricou a posilňovacou fázou. Elektronegativita prvkov vzácnych zemín je relatívne nízka (čím menšia je elektronegativita kovov, tým aktívnejšia je elektronegativita nekovových). Napríklad LA je 1,1, CE je 1,12 a y je 1,22. Elektronegativita spoločného základného kovu Fe je 1,83, Ni je 1,91 a Al je 1,61. Preto budú prvky vzácnych zemín prednostne adsorbované na hraniciach zŕn kovovej matrice a fázy výstuže počas procesu tavenia, znižujú ich energiu rozhrania, zvyšujú adhéznu prácu rozhrania, znižujú uhol zmáčania a tým zlepšia zmáčateľnosť medzi matricou a posilňovacou fázou. Výskum ukázal, že pridanie prvku LA do matrice hliníka účinne zlepšuje zmáčateľnosť ALO a hliníkovej kvapaliny a zlepšuje mikroštruktúru kompozitných materiálov.

② Podporujte zdokonalenie zŕn kovových matíc. Rozpustnosť vzácnej zeme v kovovom kryštáli 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 systémovú energiu. Aby sa udržala najnižšia voľná energia, atómy vzácnych zemín môžu obohatiť iba smerom k nepravidelným hraniciam zŕn, ktoré do istej miery do istej miery brzdia voľný rast zŕn matrice. Zároveň obohatené prvky vzácnych zemín tiež adsorbujú ďalšie prvky zliatiny, zvýši koncentračný gradient zliatinových prvkov, spôsobí podčiarknutie miestnej zložky a zvýši heterogénny nukleačný účinok matrice kvapaliny kvapaliny. Okrem toho podčiarknutie spôsobené elementárnou segregáciou môže tiež podporovať tvorbu segregovaných zlúčenín a stať sa účinnými heterogénnymi nukleačnými časticami, čím podporuje vylepšenie zŕn kovovej matrice.

③ Vyčistite hranice zŕn. V dôsledku silnej afinity 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, z ktorých niektoré môžu byť odstránené vznášaním sa z zliatiny kvapaliny, zatiaľ čo iné sú rovnomerne rozdelené do zrna, znižujú segregáciu nečistôt na hranici zŕn, čím sa čistia hranica zŕn a zlepšujú jeho pevnosť.

Je potrebné poznamenať, že v dôsledku vysokej aktivity a nízkeho bodu topenia kovov vzácnych zemín, keď sa pridajú do kompozitu kovovej matrice, je potrebné ich kontakt s kyslíkom špeciálne kontrolovať počas procesu pridávania.

Veľké množstvo postupov dokázalo, že pridanie oxidov vzácnych zemín ako stabilizátorov, spekaných pomôcok a dopingových modifikátorov k rôznej kovovej matrici a kompozite keramickej matrice môže výrazne zlepšiť silu a húževnatosť materiálov, znížiť ich teplotu spintrovania a tak znížiť náklady na výrobu. Hlavným mechanizmom jeho pôsobenia je nasledujúci.

① Ako spekaná prídavná látka môže podporovať spekanie a redukovať pórovitosť v kompozitných materiáloch. Pridaním spekajúcich prísad je generovanie kvapalnej fázy pri vysokých teplotách, zníženie teploty spekania kompozitných materiálov, inhibovanie vysokého teplotného rozkladu materiálov počas procesu spekania a získanie hustých kompozitných materiálov spekaním kvapalnej fázy. Kvôli vysokej stabilite, slabej vysokej teplote volatility a vysokých bodov topenia a varu oxidov vzácnych zemín môžu vytvárať sklenené fázy s inými surovinami a podporovať spekanie, čo z nich robí účinnú prísadu. Zároveň môže oxid vzácnym zemným roztokom tvoriť aj pevný roztok s keramickou matricou, ktorá môže vo vnútri generovať defekty kryštálov, aktivovať mriežku a podporovať spekanie.

② Zlepšiť mikroštruktúru a vylepšiť veľkosť zŕn. Vzhľadom na to, že pridané oxidy vzácnych zemín existujú hlavne na hraniciach zŕn matrice, a vďaka veľkému objemu majú oxidy vzácnych zemín vysokú migračnú rezistenciu v štruktúre a tiež bránia migrácii iných iónov, čím sa znižuje rýchlosť migrácie hraníc zŕn, inhibujú rast zŕn a bránia abnormálnemu rastu zrozuiarov počas vysokej špičky. Môžu získať malé a jednotné zrná, ktoré vedú k tvorbe hustých štruktúr; Na druhej strane dopingom oxidov vzácnych zemín vstúpia do fázy sklenenej hranice zŕn, zlepšujú pevnosť sklenenej fázy, a tak dosiahnú cieľ zlepšiť mechanické vlastnosti materiálu.

Prvky vzácnych zemín v kompozitoch polymérnej matrice ich ovplyvňujú hlavne zlepšením vlastností polymérnej matrice. Oxidy vzácnych zemín môžu zvýšiť teplotu polymérov tepelného rozkladu, zatiaľ čo karboxyláty zriedkavej zeme môžu zlepšiť tepelnú stabilitu polyvinylchloridu. Doping Polystyrén so zlúčeninami zriedkavých zemín môže zlepšiť stabilitu polystyrénu a významne zvýšiť jeho nárazovú silu a pevnosť v ohybe.