Aplikace vzácných zemin v kompozitních materiálech

AplikaceVzácné zeminyv kompozitních materiálech
Prvky vzácných zemin mají jedinečnou elektronovou strukturu 4f, velký atomový magnetický moment, silnou spinovou vazbu a další vlastnosti. Při tvorbě komplexů s jinými prvky se jejich koordinační číslo může pohybovat od 6 do 12. Sloučeniny vzácných zemin mají rozmanité krystalové struktury. Díky svým zvláštním fyzikálním a chemickým vlastnostem se vzácné zeminy široce používají při tavení vysoce kvalitní oceli a neželezných kovů, speciálního skla a vysoce výkonné keramiky, materiálů s permanentními magnety, materiálů pro ukládání vodíku, luminiscenčních a laserových materiálů, jaderných materiálů a dalších oborů. S neustálým vývojem kompozitních materiálů se aplikace vzácných zemin rozšířila i do oblasti kompozitních materiálů, což přitahuje širokou pozornost ke zlepšení vlastností rozhraní mezi heterogenními materiály.

Mezi hlavní formy použití kovů vzácných zemin při přípravě kompozitních materiálů patří: ① přidáníkovy vzácných zemindo kompozitních materiálů; ② Přidejte ve forměoxidy vzácných zemindo kompozitního materiálu; ③ Polymery dopované nebo vázané kovy vzácných zemin se používají jako matricové materiály v kompozitních materiálech. Z výše uvedených tří forem použití kovů vzácných zemin se první dvě formy nejčastěji přidávají do kompozitů s kovovou matricí, třetí se používá hlavně do polymerních kompozitů a keramický kompozit se přidává hlavně ve druhé formě.

Vzácné zeminyPůsobí hlavně na kovové a keramické kompozity ve formě aditiv, stabilizátorů a slinovacích přísad, čímž výrazně zlepšuje jejich výkon, snižuje výrobní náklady a umožňuje jejich průmyslové využití.

Přidání prvků vzácných zemin jako přísad do kompozitních materiálů hraje roli hlavně ve zlepšení vlastností rozhraní kompozitních materiálů a podpoře zjemnění zrn kovové matrice. Mechanismus účinku je následující.

① Zlepšení smáčivosti mezi kovovou matricí a výztužnou fází. Elektronegativita prvků vzácných zemin je relativně nízká (čím menší je elektronegativita kovů, tím aktivnější je elektronegativita nekovů). Například La je 1,1, Ce je 1,12 a Y je 1,22. Elektronegativita běžného základního kovu Fe je 1,83, Ni je 1,91 a Al je 1,61. Prvky vzácných zemin se proto během procesu tavení přednostně adsorbují na hranice zrn kovové matrice a výztužné fáze, čímž se snižuje jejich energie na rozhraní, zvyšuje se adhezní práce rozhraní, snižuje se smáčivý úhel a tím se zlepšuje smáčivost mezi matricí a výztužnou fází. Výzkum ukázal, že přidání prvku La do hliníkové matrice účinně zlepšuje smáčivost Al₂O₃ a kapalného hliníku a zlepšuje mikrostrukturu kompozitních materiálů.

② Podpora zjemnění zrn kovové matrice. Rozpustnost prvků vzácných zemin v krystalech kovu je malá, protože atomový poloměr prvků vzácných zemin je velký a atomový poloměr kovové matrice je relativně malý. Vstup prvků vzácných zemin s větším poloměrem do mřížky matrice způsobí zkreslení mřížky, což zvýší energii systému. Aby se udržela nejnižší volná energie, atomy vzácných zemin se mohou obohacovat pouze směrem k nepravidelným hranicím zrn, což do jisté míry brání volnému růstu zrn matrice. Zároveň obohacené prvky vzácných zemin adsorbují i ​​další prvky slitiny, čímž se zvyšuje koncentrační gradient prvků slitiny, což způsobuje lokální podchlazení složek a zvyšuje heterogenní nukleační efekt tekuté kovové matrice. Podchlazení způsobené elementární segregací může navíc také podporovat tvorbu segregovaných sloučenin a stát se účinnými heterogenními nukleačními částicemi, čímž se podporuje zjemnění zrn kovové matrice.

③ Čištění hranic zrn. Vzhledem k silné afinitě mezi prvky vzácných zemin a prvky, jako jsou O, S, P, N atd., je standardní volná energie tvorby oxidů, sulfidů, fosfidů a nitridů nízká. Tyto sloučeniny mají vysoký bod tání a nízkou hustotu, z nichž některé lze odstranit vyplavením z kapaliny slitiny, zatímco jiné jsou rovnoměrně rozloženy v zrnu, čímž se snižuje segregace nečistot na hranici zrn, čímž se hranice zrn čistí a zlepšuje se jejich pevnost.

Je třeba poznamenat, že vzhledem k vysoké aktivitě a nízkému bodu tání kovů vzácných zemin je nutné při jejich přidávání do kompozitu s kovovou matricí speciálně kontrolovat jejich kontakt s kyslíkem.

Velké množství postupů prokázalo, že přidání oxidů vzácných zemin jako stabilizátorů, slinovacích přísad a dopujících modifikátorů do různých kompozitů s kovovou a keramickou matricí může výrazně zlepšit pevnost a houževnatost materiálů, snížit jejich slinovací teplotu a tím snížit výrobní náklady. Hlavní mechanismus jeho účinku je následující.

① Jako slinovací přísada může podporovat slinování a snižovat pórovitost kompozitních materiálů. Přidání slinovacích přísad má za cíl vytvořit kapalnou fázi při vysokých teplotách, snížit teplotu slinování kompozitních materiálů, inhibovat rozklad materiálů při vysokých teplotách během procesu slinování a získat husté kompozitní materiály slinováním v kapalné fázi. Díky vysoké stabilitě, nízké těkavosti při vysokých teplotách a vysokým bodům tání a varu mohou oxidy vzácných zemin s jinými surovinami tvořit skelné fáze a podporovat slinování, což z nich činí účinnou přísadu. Zároveň může oxid vzácných zemin také tvořit pevný roztok s keramickou matricí, což může uvnitř vytvářet krystalické defekty, aktivovat mřížku a podporovat slinování.

② Zlepšení mikrostruktury a zjemnění velikosti zrn. Vzhledem k tomu, že přidané oxidy vzácných zemin se nacházejí převážně na hranicích zrn matrice a vzhledem k jejich velkému objemu mají oxidy vzácných zemin vysoký migrační odpor ve struktuře a také brání migraci jiných iontů, čímž snižují rychlost migrace hranic zrn, inhibují růst zrn a brání abnormálnímu růstu zrn během slinování za vysokých teplot. Mohou dosáhnout malých a rovnoměrných zrn, což vede k tvorbě hustých struktur; Na druhou stranu, dopováním oxidů vzácných zemin vstupují do skelné fáze na hranicích zrn, čímž se zlepšuje pevnost skelné fáze a tím se dosahuje cíle zlepšení mechanických vlastností materiálu.

Prvky vzácných zemin v polymerních kompozitech s matricí je ovlivňují především zlepšením vlastností polymerní matrice. Oxidy vzácných zemin mohou zvýšit teplotu tepelného rozkladu polymerů, zatímco karboxyláty vzácných zemin mohou zlepšit tepelnou stabilitu polyvinylchloridu. Dopování polystyrenu sloučeninami vzácných zemin může zlepšit stabilitu polystyrenu a výrazně zvýšit jeho rázovou houževnatost a pevnost v ohybu.