Aký je vplyv oxidov vzácnych zemín na keramické povlaky?

Keramika, kovové materiály a polymérne materiály sú uvedené ako tri hlavné pevné materiály. Keramika má mnoho vynikajúcich vlastností, ako je odolnosť voči vysokým teplotám, odolnosť voči korózii, odolnosť voči opotrebovaniu atď., pretože atómový väzbový režim keramiky je iónová väzba, kovalentná väzba alebo zmiešaná iónovo-kovalentná väzba s vysokou energiou väzby. Keramický povlak môže zmeniť vzhľad, štruktúru a vlastnosti vonkajšieho povrchu substrátu. Kompozit povlak-substrát je uprednostňovaný pre svoje nové vlastnosti. Dokáže organicky kombinovať pôvodné vlastnosti substrátu s vlastnosťami odolnosti voči vysokým teplotám, vysokej odolnosti voči opotrebovaniu a vysokej odolnosti voči korózii keramických materiálov a plne využíva komplexné výhody týchto dvoch druhov materiálov, takže sa široko používa v leteckom priemysle, letectve, národnej obrane, chemickom priemysle a ďalších odvetviach.

Vzácne zeminy sa nazývajú „pokladnicou“ nových materiálov kvôli svojej jedinečnej 4f elektrónovej štruktúre a fyzikálnym a chemickým vlastnostiam. Čisté kovy vzácnych zemín sa však zriedkavo používajú priamo vo výskume a väčšinou sa používajú zlúčeniny vzácnych zemín. Najbežnejšie zlúčeniny sú CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS a ferosilicín vzácnych zemín. Tieto zlúčeniny vzácnych zemín môžu zlepšiť štruktúru a vlastnosti keramických materiálov a keramických povlakov.

Aplikácia oxidov vzácnych zemín v keramických materiáloch

Pridanie prvkov vzácnych zemín ako stabilizátorov a spekacích pomôcok do rôznych keramických materiálov môže znížiť teplotu spekania, zlepšiť pevnosť a húževnatosť niektorých konštrukčných keramických materiálov a tým znížiť výrobné náklady. Zároveň prvky vzácnych zemín zohrávajú veľmi dôležitú úlohu aj v polovodičových plynových senzoroch, mikrovlnných médiách, piezoelektrickej keramike a iných funkčných keramických materiáloch. Výskum zistil, že pridanie dvoch alebo viacerých oxidov vzácnych zemín do aluminovej keramiky je lepšie ako pridanie jedného oxidu vzácnych zemín do aluminovej keramiky. Po optimalizačnom teste mal Y2O3 + CeO2 najlepší účinok. Pri pridaní 0,2 % Y2O3 + 0,2 % CeO2 pri teplote 1490 ℃ môže relatívna hustota spekaných vzoriek dosiahnuť 96,2 %, čo prevyšuje hustotu vzoriek s akýmkoľvek oxidom vzácnych zemín Y2O3 alebo CeO2 samotným.

Účinok La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 na podporu spekania je lepší ako pri pridaní iba La2O3 a odolnosť proti opotrebeniu sa evidentne zlepšuje. Ukazuje sa tiež, že zmiešanie dvoch oxidov vzácnych zemín nie je jednoduché pridanie, ale existuje medzi nimi interakcia, ktorá je výhodnejšia pre spekanie a zlepšenie výkonu aluminovej keramiky, ale princíp je potrebné ešte preskúmať.

Okrem toho sa zistilo, že pridanie zmesných oxidov kovov vzácnych zemín ako spekacích prostriedkov môže zlepšiť migráciu materiálov, podporiť spekanie MgO keramiky a zlepšiť hustotu. Avšak, keď je obsah zmesných oxidov kovov vyšší ako 15 %, relatívna hustota sa znižuje a otvorená pórovitosť sa zvyšuje.

Po druhé, vplyv oxidov vzácnych zemín na vlastnosti keramických povlakov

Existujúci výskum ukazuje, že prvky vzácnych zemín môžu zjemniť veľkosť zŕn, zvýšiť hustotu, zlepšiť mikroštruktúru a vyčistiť rozhranie. Zohrávajú jedinečnú úlohu pri zlepšovaní pevnosti, húževnatosti, tvrdosti, odolnosti proti opotrebovaniu a korózii keramických povlakov, čo do určitej miery zlepšuje ich výkon a rozširuje ich aplikačný rozsah.

1

Zlepšenie mechanických vlastností keramických povlakov oxidmi vzácnych zemín

Oxidy vzácnych zemín môžu výrazne zlepšiť tvrdosť, pevnosť v ohybe a pevnosť v ťahu keramických povlakov. Experimentálne výsledky ukazujú, že pevnosť v ťahu povlaku sa dá účinne zlepšiť použitím Lao_2 ako prísady v materiáli Al2O3 + 3% TiO_2 a pevnosť v ťahu môže dosiahnuť 27,36 MPa pri množstve Lao_2 6,0 %. Pridaním CeO2 s hmotnostným podielom 3,0 % a 6,0 % do materiálu Cr2O3 sa pevnosť v ťahu povlaku pohybuje medzi 18 ~ 25 MPa, čo je viac ako pôvodných 12 ~ 16 MPa. Avšak pri obsahu CeO2 9,0 % sa pevnosť v ťahu znižuje na 12 ~ 15 MPa.

2

Zlepšenie odolnosti keramického povlaku voči tepelným šokom zo vzácnych zemín

Skúška odolnosti voči tepelnému šoku je dôležitým testom na kvalitatívne vyjadrenie pevnosti spoja medzi náterom a substrátom a zhody koeficientu tepelnej rozťažnosti medzi náterom a substrátom. Priamo odráža schopnosť náteru odolávať odlupovaniu pri striedavých zmenách teploty počas používania a tiež odráža schopnosť náteru odolávať mechanickej únave spôsobenej nárazmi a schopnosť spájania so substrátom zboku. Preto je tiež kľúčovým faktorom na posúdenie kvality keramického náteru.

Výskum ukazuje, že pridanie 3,0 % CeO2 môže znížiť pórovitosť a veľkosť pórov v povlaku a znížiť koncentráciu napätia na okrajoch pórov, čím sa zlepší odolnosť povlaku Cr2O3 voči tepelnému šoku. Pórovitosť keramického povlaku Al2O3 sa však znížila a pevnosť spoja a životnosť povlaku pri tepelnom šoku sa po pridaní LaO2 výrazne zvýšili. Pri pridaní 6 % LaO2 (hmotnostný podiel) je odolnosť povlaku voči tepelnému šoku najlepšia a životnosť povlaku pri tepelnom šoku môže dosiahnuť 218-násobok, zatiaľ čo životnosť povlaku bez LaO2 je iba 163-násobok.

3

Oxidy vzácnych zemín ovplyvňujú odolnosť povlakov proti opotrebovaniu

Oxidy vzácnych zemín používané na zlepšenie odolnosti keramických povlakov proti opotrebeniu sú prevažne CeO2 a La2O3. Ich hexagonálna vrstevnatá štruktúra môže vykazovať dobrú mazaciu funkciu a udržiavať stabilné chemické vlastnosti pri vysokej teplote, čo môže účinne zlepšiť odolnosť proti opotrebeniu a znížiť koeficient trenia.

Výskum ukazuje, že koeficient trenia povlaku s vhodným množstvom CeO2 je malý a stabilný. Bolo hlásené, že pridanie La2O3 do plazmovo nastriekaného cermetového povlaku na báze niklu môže zjavne znížiť opotrebenie trením a koeficient trenia povlaku a koeficient trenia je stabilný s malými výkyvmi. Opotrebovaný povrch plášťovej vrstvy bez vzácnych zemín vykazuje silnú priľnavosť a krehké lomy a odlupovanie. Povlak obsahujúci vzácne zeminy však vykazuje slabú priľnavosť k opotrebovanému povrchu a nevyskytujú sa žiadne známky krehkého odlupovania na veľkej ploche. Mikroštruktúra povlaku dopovaného vzácnymi zeminami je hustejšia a kompaktnejšia a póry sú zmenšené, čo znižuje priemernú treciu silu znášanú mikroskopickými časticami a znižuje trenie a opotrebovanie. Dopovanie vzácnych zemín môže tiež zväčšiť vzdialenosť kryštálovej roviny cermetov, čo vedie k zmene interakčnej sily medzi dvoma kryštálovými plochami a znižuje koeficient trenia.

Zhrnutie:

Hoci oxidy vzácnych zemín dosiahli veľké úspechy v aplikácii keramických materiálov a povlakov, ktoré môžu účinne zlepšiť mikroštruktúru a mechanické vlastnosti keramických materiálov a povlakov, stále existuje mnoho neznámych vlastností, najmä pri znižovaní trenia a opotrebenia. Ako dosiahnuť, aby pevnosť a odolnosť materiálov voči opotrebeniu spolupracovali s ich mazacími vlastnosťami, sa stalo dôležitým smerom hodným diskusie v oblasti tribológie.

Tel.: +86-21-20970332E-mail：info@shxlchem.com