UporabaRedka zemljav kompozitnih materialih
Redkozemeljski elementi imajo edinstveno elektronsko strukturo 4f, velik atomski magnetni moment, močno spinsko sklopitev in druge značilnosti. Pri tvorbi kompleksov z drugimi elementi se lahko njihovo koordinacijsko število giblje od 6 do 12. Redkozemeljske spojine imajo različne kristalne strukture. Zaradi posebnih fizikalnih in kemijskih lastnosti se redkozemeljske spojine pogosto uporabljajo pri taljenju visokokakovostnega jekla in barvnih kovin, posebnega stekla in visokozmogljive keramike, materialov s trajnimi magneti, materialov za shranjevanje vodika, luminiscentnih in laserskih materialov, jedrskih materialov in drugih področij. Z nenehnim razvojem kompozitnih materialov se je uporaba redkozemeljskih elementov razširila tudi na področje kompozitnih materialov, kar je pritegnilo veliko pozornosti pri izboljšanju lastnosti vmesnika med heterogenimi materiali.
Glavne oblike uporabe redkih zemelj pri pripravi kompozitnih materialov vključujejo: 1 dodajanjeredke zemeljske kovinekompozitnim materialom; ② Dodajte v oblikiredkozemeljskih oksidovv kompozitni material; ③ Polimeri, dopirani ali vezani z redkozemeljskimi kovinami v polimerih, se uporabljajo kot matrični materiali v kompozitnih materialih. Med zgornjimi tremi oblikami uporabe redkozemeljskih kovin se prvi dve obliki večinoma dodajata kovinsko-matričnim kompozitom, tretja pa se uporablja predvsem za polimerne matrične kompozite, keramični matrični kompozit pa se dodaja predvsem v drugi obliki.
Redka zemljadeluje predvsem na kovinske in keramične matrične kompozite v obliki dodatkov, stabilizatorjev in dodatkov za sintranje, kar močno izboljša njihovo delovanje, zmanjša proizvodne stroške in omogoči njegovo industrijsko uporabo.
Dodajanje redkozemeljskih elementov kot dodatkov v kompozitnih materialih igra predvsem vlogo pri izboljšanju vmesnih lastnosti kompozitnih materialov in spodbujanju prečiščevanja zrn kovinske matrice. Mehanizem delovanja je naslednji.
① Izboljšajte omočljivost med kovinsko matrico in ojačitveno fazo. Elektronegativnost redkozemeljskih elementov je relativno nizka (manjša kot je elektronegativnost kovin, bolj aktivna je elektronegativnost nekovin). Na primer, La je 1,1, Ce je 1,12 in Y je 1,22. Elektronegativnost navadne osnovne kovine Fe je 1,83, Ni je 1,91 in Al je 1,61. Zato se bodo redkozemeljski elementi med taljenjem prednostno adsorbirali na meje zrn kovinske matrice in ojačitvene faze, kar bo zmanjšalo njihovo energijo na vmesniku, povečalo adhezijsko delo vmesnika, zmanjšalo kot omočljivosti in s tem izboljšalo omočljivost med matrico in ojačitveno fazo. Raziskave so pokazale, da dodatek elementa La aluminijevi matrici učinkovito izboljša omočljivost Al₂O₃ in tekočega aluminija ter izboljša mikrostrukturo kompozitnih materialov.
② Spodbujanje prečiščevanja kovinskih matriksnih zrn. Topnost redkih zemelj v kovinskih kristalih je majhna, ker je atomski polmer redkih zemelj velik, atomski polmer kovinske matrice pa je relativno majhen. Vstop redkih zemelj z večjim polmerom v matriksno mrežo bo povzročil popačenje mreže, kar bo povečalo energijo sistema. Da bi ohranili najnižjo prosto energijo, se lahko atomi redkih zemelj obogatijo le proti nepravilnim mejam zrn, kar do neke mere ovira prosto rast matriksnih zrn. Hkrati bodo obogateni redki zemeljni elementi adsorbirali tudi druge elemente zlitine, kar bo povečalo koncentracijski gradient elementov zlitine, povzročilo lokalno podhlajanje komponent in okrepilo heterogeni nukleacijski učinek tekoče kovinske matrice. Poleg tega lahko podhlajanje, ki ga povzroči segregacija elementov, spodbudi tudi nastanek segregiranih spojin in postane učinkovit heterogeni nukleacijski delci, s čimer spodbudi prečiščevanje kovinskih matriksnih zrn.
③ Čiščenje meja zrn. Zaradi močne afinitete med redkozemeljskimi elementi in elementi, kot so O, S, P, N itd., je standardna prosta energija tvorbe oksidov, sulfidov, fosfidov in nitridov nizka. Te spojine imajo visoko tališče in nizko gostoto, nekatere od njih je mogoče odstraniti z izplavljanjem iz tekočine zlitine, druge pa so enakomerno porazdeljene znotraj zrna, kar zmanjša segregacijo nečistoč na meji zrn, s čimer se meja zrn očisti in izboljša njena trdnost.
Treba je opozoriti, da je zaradi visoke aktivnosti in nizkega tališča redkih zemeljskih kovin pri njihovem dodajanju kompozitu s kovinsko matrico treba posebej nadzorovati njihov stik s kisikom.
Številne prakse so dokazale, da lahko dodajanje redkozemeljskih oksidov kot stabilizatorjev, pomožnih sredstev za sintranje in modifikatorjev dopiranja različnim kovinskim in keramičnim kompozitom znatno izboljša trdnost in žilavost materialov, zniža njihovo temperaturo sintranja in s tem zmanjša proizvodne stroške. Glavni mehanizem delovanja je naslednji.
① Kot dodatek za sintranje lahko spodbuja sintranje in zmanjšuje poroznost kompozitnih materialov. Dodatek dodatkov za sintranje ustvari tekočo fazo pri visokih temperaturah, zniža temperaturo sintranja kompozitnih materialov, zavira razgradnjo materialov pri visokih temperaturah med postopkom sintranja in s sintranjem v tekoči fazi pridobi goste kompozitne materiale. Zaradi visoke stabilnosti, nizke hlapnosti pri visokih temperaturah ter visokih talilnih in vrelnih točk lahko redkozemeljski oksidi z drugimi surovinami tvorijo steklene faze in spodbujajo sintranje, zaradi česar so učinkovit dodatek. Hkrati lahko redkozemeljski oksid tvori tudi trdno raztopino s keramično matrico, kar lahko povzroči kristalne napake v notranjosti, aktivira kristalno mrežo in spodbuja sintranje.
② Izboljšanje mikrostrukture in prečiščevanje velikosti zrn. Ker dodani redkozemeljski oksidi večinoma obstajajo na mejah zrn matrice in zaradi njihove velike prostornine, imajo redkozemeljski oksidi visoko migracijsko odpornost v strukturi in ovirajo tudi migracijo drugih ionov, s čimer zmanjšajo hitrost migracije meja zrn, zavirajo rast zrn in preprečujejo nenormalno rast zrn med visokotemperaturnim sintranjem. Z dopiranjem lahko dobijo majhna in enakomerna zrna, kar prispeva k nastanku gostih struktur; Po drugi strani pa z dopiranjem redkozemeljskih oksidov vstopijo v stekleno fazo na mejah zrn, kar izboljša trdnost steklene faze in s tem doseže cilj izboljšanja mehanskih lastnosti materiala.
Redkozemeljski elementi v polimernih matričnih kompozitih vplivajo predvsem nanje z izboljšanjem lastnosti polimerne matrice. Redkozemeljski oksidi lahko zvišajo temperaturo termičnega razkroja polimerov, medtem ko lahko redkozemeljski karboksilati izboljšajo toplotno stabilnost polivinilklorida. Dopiranje polistirena z redkozemeljskimi spojinami lahko izboljša stabilnost polistirena in znatno poveča njegovo udarno trdnost in upogibno trdnost.
Čas objave: 26. april 2023