Jaký je vliv oxidů vzácných zemin na keramické povlaky?

Keramika, kovové materiály a polymerní materiály jsou uvedeny jako tři hlavní pevné materiály. Keramika má mnoho vynikajících vlastností, jako je odolnost proti vysokým teplotám, odolnost proti korozi, odolnost proti opotřebení atd., protože atomový způsob vazby keramiky je iontová vazba, kovalentní vazba nebo smíšená iontově-kovalentní vazba s vysokou vazebnou energií. Keramický povlak může změnit vzhled, strukturu a vlastnosti vnějšího povrchu substrátu. Kompozit povlak-substrát je preferován pro své nové vlastnosti. Dokáže organicky kombinovat původní vlastnosti substrátu s vlastnostmi odolnosti proti vysokým teplotám, vysoké odolnosti proti opotřebení a vysoké odolnosti proti korozi keramických materiálů a plně využít komplexních výhod obou druhů materiálů, takže se široce používá v leteckém, obranném, chemickém a dalších odvětvích.

Vzácné zeminy se nazývají „pokladnicí“ nových materiálů díky své jedinečné 4f elektronové struktuře a fyzikálním a chemickým vlastnostem. Čisté kovy vzácných zemin se však zřídka používají přímo ve výzkumu a většinou se používají sloučeniny vzácných zemin. Nejběžnějšími sloučeninami jsou CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS a ferosilicium vzácných zemin. Tyto sloučeniny vzácných zemin mohou zlepšit strukturu a vlastnosti keramických materiálů a keramických povlaků.

Aplikace oxidů vzácných zemin v keramických materiálech

Přidání prvků vzácných zemin jako stabilizátorů a slinovacích pomůcek do různých keramických materiálů může snížit teplotu slinování, zlepšit pevnost a houževnatost některých strukturálních keramických materiálů a tím snížit výrobní náklady. Zároveň prvky vzácných zemin hrají velmi důležitou roli v polovodičových plynových senzorech, mikrovlnných médiích, piezoelektrické keramice a dalších funkčních keramikách. Výzkum zjistil, že přidání dvou nebo více oxidů vzácných zemin do aluminové keramiky společně je lepší než přidání jednoho oxidu vzácných zemin do aluminové keramiky. Po optimalizačním testu má Y2O3 + CeO2 nejlepší účinek. Při přidání 0,2 % Y2O3 + 0,2 % CeO2 při 1490 ℃ může relativní hustota slinutých vzorků dosáhnout 96,2 %, což překračuje hustotu vzorků s jakýmkoli oxidem vzácných zemin Y2O3 nebo CeO2 samotným.

Vliv La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 na podporu slinování je lepší než při přidání pouze La2O3 a odolnost proti opotřebení se zjevně zlepšuje. Ukazuje se také, že smíchání dvou oxidů vzácných zemin není jednoduchým přidáním, ale že mezi nimi dochází k interakci, která je výhodnější pro slinování a zlepšení vlastností aluminové keramiky, ale princip je stále třeba prostudovat.

Kromě toho bylo zjištěno, že přidání směsných oxidů kovů vzácných zemin jako slinovacích pomůcek může zlepšit migraci materiálů, podpořit slinování keramiky MgO a zlepšit hustotu. Pokud je však obsah směsných oxidů kovů vyšší než 15 %, relativní hustota se snižuje a otevřená pórovitost se zvyšuje.

Za druhé, vliv oxidů vzácných zemin na vlastnosti keramických povlaků

Stávající výzkum ukazuje, že prvky vzácných zemin mohou zjemnit velikost zrna, zvýšit hustotu, zlepšit mikrostrukturu a vyčistit rozhraní. Hrají jedinečnou roli ve zlepšení pevnosti, houževnatosti, tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a korozi keramických povlaků, což do určité míry zlepšuje jejich vlastnosti a rozšiřuje jejich rozsah použití.

1

Zlepšení mechanických vlastností keramických povlaků oxidy vzácných zemin

Oxidy vzácných zemin mohou výrazně zlepšit tvrdost, pevnost v ohybu a pevnost v tahu keramických povlaků. Experimentální výsledky ukazují, že pevnost v tahu povlaku lze účinně zlepšit použitím Lao_2 jako přísady v materiálu Al2O3 + 3% TiO_2 a pevnost v tahu může dosáhnout 27,36 MPa při množství Lao_2 6,0 %. Přidáním CeO2 s hmotnostním podílem 3,0 % a 6,0 % do materiálu Cr2O3 se pevnost v tahu povlaku pohybuje mezi 18~25 MPa, což je více než původních 12~16 MPa. Pokud je však obsah CeO2 9,0 %, pevnost v tahu klesá na 12~15 MPa.

2

Zlepšení odolnosti keramického povlaku proti tepelným šokům ze vzácných zemin

Zkouška odolnosti proti tepelnému šoku je důležitým testem pro kvalitativní vyhodnocení pevnosti spoje mezi povlakem a substrátem a shody koeficientu tepelné roztažnosti mezi povlakem a substrátem. Přímo odráží schopnost povlaku odolávat odlupování při střídavých změnách teploty během používání a také odráží schopnost povlaku odolávat mechanické únavě způsobené nárazy a schopnost přilnout k substrátu z boku. Proto je také klíčovým faktorem pro posouzení kvality keramického povlaku.

Výzkum ukazuje, že přidání 3,0 % CeO2 může snížit pórovitost a velikost pórů v povlaku a snížit koncentraci napětí na okrajích pórů, čímž se zlepší odolnost povlaku Cr2O3 proti tepelnému šoku. Pórovitost keramického povlaku Al2O3 se však po přidání LaO2 snížila a pevnost spoje a životnost povlaku při tepelném šoku se výrazně zvýšily. Při přidání 6 % LaO2 (hmotnostní podíl) je odolnost povlaku proti tepelnému šoku nejlepší a životnost povlaku při tepelném šoku může dosáhnout 218násobku, zatímco životnost povlaku bez LaO2 je pouze 163násobku.

3

Oxidy vzácných zemin ovlivňují odolnost povlaků proti opotřebení

Oxidy vzácných zemin používané ke zlepšení odolnosti keramických povlaků proti opotřebení jsou většinou CeO2 a La2O3. Jejich hexagonální vrstevnatá struktura může vykazovat dobrou mazací funkci a udržovat stabilní chemické vlastnosti při vysokých teplotách, což může účinně zlepšit odolnost proti opotřebení a snížit koeficient tření.

Výzkum ukazuje, že koeficient tření povlaku s vhodným množstvím CeO2 je malý a stabilní. Bylo hlášeno, že přidání La2O3 do plazmově stříkaného cermetového povlaku na bázi niklu může zjevně snížit třecí opotřebení a koeficient tření povlaku a koeficient tření je stabilní s malými výkyvy. Opotřebovaný povrch plášťové vrstvy bez vzácných zemin vykazuje silnou adhezi a křehký lom a odlupování. Povlak obsahující vzácné zeminy však vykazuje slabou adhezi k opotřebovanému povrchu a nevyskytují se žádné známky křehkého odlupování na velké ploše. Mikrostruktura povlaku dopovaného vzácnými zeminami je hustší a kompaktnější a póry jsou redukované, což snižuje průměrnou třecí sílu nesenou mikroskopickými částicemi a snižuje tření a opotřebení. Dopování vzácných zemin může také zvětšit vzdálenost krystalové roviny cermetů, což vede ke změně interakční síly mezi oběma krystalovými plochami a snižuje koeficient tření.

Shrnutí:

Přestože oxidy vzácných zemin dosáhly velkých úspěchů v aplikaci keramických materiálů a povlaků, které mohou účinně zlepšit mikrostrukturu a mechanické vlastnosti keramických materiálů a povlaků, stále existuje mnoho neznámých vlastností, zejména pokud jde o snížení tření a opotřebení. Jak dosáhnout spolupráce pevnosti a odolnosti materiálů proti opotřebení s jejich mazacími vlastnostmi se stalo důležitým směrem hodným diskuse v oblasti tribologie.

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