Aplikace vzácných zemin v kompozitních materiálech

AplikaceVzácná zeměv kompozitních materiálech
Prvky vzácných zemin mají jedinečnou elektronickou strukturu 4f, velký atomový magnetický moment, silnou spinovou vazbu a další vlastnosti. Při tvorbě komplexů s jinými prvky se jejich koordinační číslo může měnit od 6 do 12. Sloučeniny vzácných zemin mají různé krystalové struktury. Speciální fyzikální a chemické vlastnosti vzácných zemin je činí široce používanými při tavení vysoce kvalitní oceli a neželezných kovů, speciálního skla a vysoce výkonné keramiky, materiálů s permanentními magnety, materiálů pro skladování vodíku, luminiscenčních a laserových materiálů, jaderných materiálů a další obory. S neustálým vývojem kompozitních materiálů se aplikace vzácných zemin rozšířila také do oblasti kompozitních materiálů, což přitahuje širokou pozornost při zlepšování vlastností rozhraní mezi heterogenními materiály.

Mezi hlavní aplikační formy vzácných zemin při přípravě kompozitních materiálů patří: ① přidáváníkovů vzácných zeminna kompozitní materiály; ② Přidejte ve forměoxidy vzácných zeminke kompozitnímu materiálu; ③ Polymery dopované nebo spojené s kovy vzácných zemin v polymerech se používají jako matricové materiály v kompozitních materiálech. Z výše uvedených tří forem aplikace vzácných zemin se první dvě formy většinou přidávají ke kompozitu s kovovou matricí, zatímco třetí se používá hlavně ke kompozitům s polymerní matricí a kompozit s keramickou matricí se přidávají hlavně ve druhé formě.

Vzácná zeminapůsobí především na kovovou matrici a kompozit s keramickou matricí ve formě aditiv, stabilizátorů a slinovacích přísad, výrazně zlepšuje jejich výkonnost, snižuje výrobní náklady a umožňuje její průmyslové použití.

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

① Zlepšete smáčivost mezi kovovou matricí a výztužnou fází. Elektronegativita prvků vzácných zemin je relativně nízká (čím menší elektronegativita kovů, tím aktivnější elektronegativita nekovů). Například La je 1,1, Ce je 1,12 a Y je 1,22. Elektronegativita běžného obecného kovu Fe je 1,83, Ni je 1,91 a Al je 1,61. Proto se prvky vzácných zemin budou během procesu tavení přednostně adsorbovat na hranicích zrn kovové matrice a výztužné fázi, čímž se sníží jejich energie rozhraní, zvýší se adhezní práce rozhraní, sníží se úhel smáčení, a tím se zlepší smáčivost mezi matricí. a posilovací fáze. Výzkum ukázal, že přidání prvku La do hliníkové matrice účinně zlepšuje smáčivost AlO a hliníkové kapaliny a zlepšuje mikrostrukturu kompozitních materiálů.

② Podporujte zušlechťování zrn kovové matrice. Rozpustnost vzácné zeminy v kovovém krystalu 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 maticové mřížky způsobí deformaci mřížky, což zvýší energii systému. Pro udržení nejnižší volné energie mohou atomy vzácných zemin obohacovat pouze směrem k nepravidelným hranicím zrn, což do určité míry brání volnému růstu matricových zrn. Současně budou obohacené prvky vzácných zemin také adsorbovat další slitinové prvky, čímž se zvýší koncentrační gradient slitinových prvků, což způsobí místní podchlazení komponent a zvýší heterogenní nukleační efekt matrice tekutého kovu. Kromě toho může podchlazení způsobené elementární segregací také podporovat tvorbu segregovaných sloučenin a stát se účinnými heterogenními nukleačními částicemi, čímž se podporuje zjemňování zrn kovové matrice.

③ Vyčistěte hranice zrn. Díky silné afinitě mezi prvky vzácných zemin a prvky jako O, S, P, N atd. je standardní volná energie tvorby oxidů, sulfidů, fosfidů a nitridů nízká. Tyto sloučeniny mají vysokou teplotu tání a nízkou hustotu, z nichž některé lze odstranit vyplavením z kapaliny slitiny, zatímco jiné jsou rovnoměrně distribuovány v zrnu, čímž se snižuje segregace nečistot na hranici zrn, čímž se hranice zrn čistí a zlepšení její síly.

Je třeba poznamenat, že vzhledem k vysoké aktivitě a nízké teplotě tání kovů vzácných zemin, když jsou přidány do kompozitu s kovovou matricí, je třeba jejich kontakt s kyslíkem během procesu přidávání speciálně kontrolovat.

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

① Jako slinovací přísada může podporovat slinování a snižovat poréznost v kompozitních materiálech. Přidáním slinovacích aditiv je vytvořit kapalnou fázi při vysokých teplotách, snížit teplotu slinování kompozitních materiálů, inhibovat vysokoteplotní rozklad materiálů během procesu slinování a získat husté kompozitní materiály slinováním v kapalné fázi. Díky vysoké stabilitě, slabé těkavosti při vysokých teplotách a vysokým bodům tání a varu oxidů vzácných zemin mohou tvořit skleněné fáze s jinými surovinami a podporovat slinování, což z nich činí účinnou přísadu. Současně může oxid vzácných zemin také tvořit pevný roztok s keramickou matricí, který může vytvářet krystalové defekty uvnitř, aktivovat mřížku a podporovat slinování.

② Zlepšit mikrostrukturu a zpřesnit velikost zrna. Vzhledem k tomu, že přidané oxidy vzácných zemin se vyskytují hlavně na hranicích zrn matrice, a díky svému velkému objemu mají oxidy vzácných zemin ve struktuře vysokou odolnost proti migraci a také brání migraci jiných iontů, čímž snižují rychlost migrace hranic zrn, inhibice růstu zrn a brzdění abnormálního růstu zrn během vysokoteplotního slinování. Mohou získat malá a stejnoměrná zrna, což přispívá k tvorbě hustých struktur; Na druhé straně dopováním oxidů vzácných zemin vstupují do skleněné fáze na hranici zrn, zlepšují pevnost skleněné fáze a tím dosahují cíle zlepšení mechanických vlastností materiálu.

Prvky vzácných zemin v kompozitech s polymerní 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.