Uporaba redke zemlje v sestavljenih materialih

UporabaRedka zemljav sestavljenih materialih
Redki zemeljski elementi imajo edinstveno 4F elektronsko strukturo, velik atomski magnetni moment, močno vrtelno sklopko in druge značilnosti. Pri oblikovanju kompleksov z drugimi elementi se lahko njihova koordinacijska številka razlikuje od 6 do 12. Redke zemeljske spojine imajo različne kristalne strukture. Posebne fizikalne in kemijske lastnosti redkih zemljih omogočajo, da se široko uporabljajo pri taljenju visokokakovostnih jeklenih in nefernih kovin, posebnih steklenih in visokozmogljivih keramike, trajnih magnetnih materialih, materialih za shranjevanje vodika, materialih za svetilke in laser, jedrski materiali in druga polja. Z neprekinjenim razvojem sestavljenih materialov se je uporaba redkih zemljin razširila tudi na področje sestavljenih materialov, kar je pritegnilo široko pozornost pri izboljšanju lastnosti vmesnika med heterogenimi materiali.

Glavne uporabe oblike redke zemlje pri pripravi kompozitnih materialov vključujejo: ① dodajanjeredke zemeljske kovinedo sestavljenih materialov; ② Dodajte v oblikiredki zemeljski oksidido sestavljenega materiala; ③ Polimeri, dopirani ali vezani z redkimi zemeljskimi kovinami v polimerih, se uporabljajo kot matrični materiali v sestavljenih materialih. Med zgornjimi tremi oblikami nanosa redke zemlje sta prvi dve obliki večinoma dodani kompozitu kovinske matrice, tretji pa se nanese predvsem na kompoziti polimerne matrice, kompozit keramične matrice pa je dodan predvsem v drugi obliki.

Redka zemljaV glavnem deluje na kovinsko matrico in keramično matrično kompozit v obliki aditivov, stabilizatorjev in sintranih dodatkov, kar močno izboljšuje njihovo delovanje, zmanjšuje proizvodne stroške in omogoči njegovo industrijsko uporabo.

Dodajanje redkih zemeljskih elementov kot aditivov v sestavljenih materialih igra predvsem vlogo pri izboljšanju zmogljivosti vmesnika sestavljenih materialov in spodbujanju izpopolnjevanja kovinskih matričnih zrn. Mehanizem delovanja je naslednji.

① Izboljšajte zmogljivost med kovinsko matrico in fazo ojačitve. Elektronegativnost redkih zemeljskih elementov je sorazmerno nizka (manjša kot je elektronegativnost kovin, bolj aktivna je elektronegativnost nemetal). Na primer, LA je 1,1, CE je 1,12, Y pa 1,22. Elektronegativnost skupne osnovne kovine Fe je 1,83, NI 1,91, AL pa 1,61. Zato se bodo redki zemeljski elementi prednostno pojavljali na mejah zrn kovinske matrice in faze ojačitve med postopkom taljenja, zmanjšali njihovo energijo vmesnika, povečali adhezijsko delo vmesnika, zmanjšali koto vlaženja in s tem izboljšali morje med matrico in fazo okrepitve. Raziskave so pokazale, da dodajanje elementa LA k aluminijasti matriki učinkovito izboljša zmožnost ALO in Aluminijeve tekočine in izboljša mikrostrukturo sestavljenih materialov.

② Spodbujanje izpopolnjevanja kovinskih matričnih zrn. Topnost redke zemlje v kovinskem kristalu je majhna, saj je atomski polmer redkih zemeljskih elementov velik, atomski polmer kovinske matrice pa relativno majhen. Vstop redkih zemeljskih elementov z večjim polmerom v matrično rešetko bo povzročil izkrivljanje rešetk, kar bo povečalo energijo sistema. Za ohranitev najnižje proste energije lahko redki zemeljski atomi obogatijo le na nepravilne meje zrn, kar do neke mere ovira prosto rast matričnih zrn. Hkrati bodo obogateni redki zemeljski elementi adsorbirali tudi druge elemente zlitine, kar bo povečalo koncentracijski gradient elementov zlitine, kar bo povzročilo premajhno komponento in povečalo heterogeni učinek nukleacije tekoče kovinske matrice. Poleg tega lahko podhladitev, ki jo povzroča elementarna segregacija, spodbudi tudi nastanek ločenih spojin in postane učinkovit heterogeni delci nukleacije, s čimer spodbudi izpopolnjevanje kovinskih matričnih zrn.

③ Prečisti meje zrnja. Zaradi močne afinitete med redkimi zemeljskimi elementi in elementi, kot so O, S, P, N itd., Je standardna prosta energija tvorbe za okside, sulfide, fosfide in nitride nizka. Te spojine imajo visoko tališče in nizko gostoto, nekatere pa jih je mogoče odstraniti s plavanjem iz tekočine, druge pa se enakomerno porazdelijo znotraj zrnja, zmanjšajo segregacijo nečistoč na meji zrnja in s tem očistijo mejo zrna in izboljšajo njegovo moč.

Upoštevati je treba, da je treba zaradi visoke aktivnosti in nizke taljenja redkih zemeljskih kovin, ko jih dodamo kompozitu kovinske matrice, njihov stik s kisikom posebej nadzorovati med postopkom dodajanja.

Veliko število praks je dokazalo, da lahko dodajanje redkih zemeljskih oksidov kot stabilizatorjev, sintranih pripomočkov in modifikatorjev dopinga različnim kovinskim matricem in keramičnim kompozitom močno izboljša moč in žilavost materialov, zmanjša njihovo temperaturo sintranja in s tem zmanjša stroške proizvodnje. Glavni mehanizem njegovega delovanja je naslednji.

① Kot sintranski dodatek lahko spodbuja sintranje in zmanjša poroznost v sestavljenih materialih. Dodajanje sintranih dodatkov je ustvarjanje tekoče faze pri visokih temperaturah, zmanjšanje temperature sintranja sestavljenih materialov, zaviranje visokotemperaturne razgradnje materialov med postopkom sintranja in pridobivanje gostih kompozitnih materialov skozi tekoče fazno sintranje. Zaradi visoke stabilnosti, šibke visokotemperaturne nestanovitnosti in visokih topov in vrelišč redkih zemeljskih oksidov lahko tvorijo steklene faze z drugimi surovinami in spodbujajo sintranje, zaradi česar so učinkovit dodatek. Hkrati lahko redek zemeljski oksid tvori tudi trdno raztopino s keramičnim matrico, ki lahko ustvari kristalne napake v notranjosti, aktivira rešetko in spodbuja sintranje.

② Izboljšajte mikrostrukturo in izpopolnite velikost zrnja. Zaradi dejstva, da dodani redki zemeljski oksidi obstajajo predvsem na mejah zrn matrice in imajo zaradi velikega volumna redki zemeljski oksidi visoko migracijsko odpornost v strukturi in ovirajo tudi migracijo drugih ionov in s tem zmanjšajo hitrost migracije mej zrnja, zavirajo rast zrn in preprečujejo ablormalno rast. Dobijo lahko majhna in enakomerna zrna, ki vodijo k tvorbi gostih struktur; Po drugi strani pa z dopingom redkih zemeljskih oksidov vstopijo v fazo zrnje mejne steklene faze, izboljšajo moč steklene faze in tako dosežejo cilj izboljšanja mehanskih lastnosti materiala.

Redki zemeljski elementi v kompozitih polimernih matriksa nanje vplivajo predvsem z izboljšanjem lastnosti polimerne matrice. Redki zemeljski oksidi lahko povečajo temperaturo toplotne razgradnje polimerov, medtem ko redki zemeljski karboksilati lahko izboljšajo toplotno stabilnost polivinil klorida. Doping polistiren z redkimi zemeljskimi spojinami lahko izboljša stabilnost polistirena in znatno poveča njegovo udarno moč in upogibanje.