Uporaba redkih zemelj v kompozitnih materialih

UporabaRedka zemljav kompozitnih materialih
Elementi redkih zemelj 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 spreminja od 6 do 12. Spojine redkih zemelj imajo različne kristalne strukture.Zaradi posebnih fizikalnih in kemijskih lastnosti redkih zemelj se pogosto uporabljajo pri taljenju visokokakovostnega jekla in neželeznih kovin, posebnega stekla in visoko zmogljive keramike, materialov s trajnimi magneti, materialov za shranjevanje vodika, luminiscentnih in laserskih materialov, jedrskih materialov , in druga področja.Z nenehnim razvojem kompozitnih materialov se je uporaba redkih zemelj razširila tudi na področje kompozitnih materialov, kar je pritegnilo široko pozornost pri izboljšanju vmesnikov med heterogenimi materiali.

Glavne oblike uporabe redkih zemelj pri pripravi kompozitnih materialov vključujejo: ① dodajanjeredke zemeljske kovinena kompozitne materiale;② Dodajte v oblikioksidi redkih zemeljna kompozitni material;③ Polimeri, dopirani ali vezani z redkimi zemeljskimi kovinami v polimerih, se uporabljajo kot matrični materiali v kompozitnih materialih.Med zgornjimi tremi oblikami uporabe redkih zemelj sta prvi dve obliki večinoma dodani kompozitu s kovinsko matriko, medtem ko se tretja uporablja predvsem za kompozite s polimerno matriko, kompozit s keramično matriko pa se večinoma dodaja v drugi obliki.

Redka zemljavečinoma deluje na kompozite s kovinsko matriko in keramično matriko v obliki dodatkov, stabilizatorjev in dodatkov za sintranje, kar močno izboljša njihovo učinkovitost, zmanjša proizvodne stroške in omogoči njegovo industrijsko uporabo.

Dodajanje redkih zemeljskih elementov kot dodatkov v kompozitnih materialih ima predvsem vlogo pri izboljšanju vmesnika kompozitnih materialov in spodbujanju prefinjenosti zrn kovinske matrice.Mehanizem delovanja je naslednji.

① Izboljšajte omočljivost med kovinsko matriko in ojačitveno fazo.Elektronegativnost elementov redkih zemelj je razmeroma nizka (manjša ko je elektronegativnost kovin, bolj aktivna je elektronegativnost nekovin).Na primer, La je 1,1, Ce je 1,12 in Y je 1,22.Elektronegativnost običajne navadne kovine Fe je 1,83, Ni je 1,91 in Al je 1,61.Zato se bodo redki zemeljski elementi med postopkom taljenja prednostno adsorbirali na mejah zrn kovinske matrice in ojačitvene faze, kar bo zmanjšalo njihovo mejno energijo, povečalo adhezijsko delo vmesnika, zmanjšalo omočilni kot in s tem izboljšalo omočljivost med matriko in fazo ojačitve.Raziskave so pokazale, da dodatek elementa La aluminijevi matrici učinkovito izboljša omočljivost AlO in aluminijeve tekočine ter izboljša mikrostrukturo kompozitnih materialov.

② Spodbujajte rafiniranje zrn kovinske matrice.Topnost redkih zemelj v kovinskem kristalu je majhna, ker je atomski polmer redkih zemeljskih elementov velik, atomski polmer kovinske matrice pa relativno majhen.Vstop elementov redkih zemelj z večjim polmerom v matrično mrežo bo povzročil popačenje mreže, kar bo povečalo energijo sistema.Za ohranitev najnižje proste energije se lahko atomi redkih zemelj obogatijo samo proti nepravilnim mejam zrn, kar do neke mere ovira prosto rast zrn matrice.Hkrati bodo obogateni elementi redkih zemelj adsorbirali tudi druge elemente zlitin, s čimer se bo povečal koncentracijski gradient elementov zlitin, kar bo povzročilo podhlajevanje lokalne komponente in povečalo učinek heterogenega nukleacije tekoče kovinske matrice.Poleg tega lahko podhlajanje, ki ga povzroči elementarna segregacija, spodbuja tudi tvorbo ločenih spojin in postanejo učinkoviti heterogeni nukleacijski delci, s čimer spodbujajo prečiščevanje zrn kovinske matrice.

③ Očistite meje zrn.Zaradi močne afinitete med elementi redkih zemelj 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, od katerih jih je nekatere mogoče odstraniti tako, da izplavajo iz tekočine zlitine, medtem ko so druge enakomerno porazdeljene v zrnu, kar zmanjša ločevanje nečistoč na meji zrn, s čimer očisti mejo zrn in izboljšanje njegove moči.

Opozoriti je treba, da je treba zaradi visoke aktivnosti in nizkega tališča redkih zemeljskih kovin, ko jih dodamo kompozitu s kovinsko matriko, med postopkom dodajanja posebej nadzorovati njihov stik s kisikom.

Veliko praks je dokazalo, da dodajanje oksidov redkih zemelj kot stabilizatorjev, sredstev za sintranje in modifikatorjev dopinga različnim kompozitom s kovinsko matriko in keramično matriko lahko močno izboljša trdnost in žilavost materialov, zniža njihovo temperaturo sintranja in tako zmanjša proizvodne stroške.Glavni mehanizem njegovega delovanja je naslednji.

① Kot dodatek za sintranje lahko spodbuja sintranje in zmanjša poroznost v kompozitnih materialih.Dodatek dodatkov za sintranje je namenjen ustvarjanju tekoče faze pri visokih temperaturah, znižanju temperature sintranja kompozitnih materialov, zaviranju visokotemperaturne razgradnje materialov med procesom sintranja in pridobivanju gostih kompozitnih materialov s sintranjem v tekoči fazi.Zaradi visoke stabilnosti, šibke visokotemperaturne hlapnosti ter visokih tališč in vrelišč oksidov redkih zemelj lahko tvorijo steklene faze z drugimi surovinami in spodbujajo sintranje, zaradi česar so učinkovit dodatek.Hkrati lahko oksid redkih zemelj tvori tudi trdno raztopino s keramično matrico, ki lahko ustvari kristalne napake v notranjosti, aktivira mrežo in spodbuja sintranje.

② Izboljšajte mikrostrukturo in izboljšajte velikost zrn.Zaradi dejstva, da so dodani oksidi redkih zemelj večinoma na mejah zrn matrike, in zaradi velike prostornine imajo oksidi redkih zemelj visoko migracijsko odpornost v strukturi in tudi ovirajo migracijo drugih ionov, s čimer se zmanjša hitrost migracije meja zrn, zaviranje rasti zrn in oviranje nenormalne rasti zrn med visokotemperaturnim sintranjem.Lahko dobijo majhna in enotna zrna, kar je ugodno za nastanek gostih struktur;Po drugi strani pa z dopiranjem oksidov redkih zemelj vstopajo v stekleno fazo meje zrn, izboljšajo trdnost steklene faze in tako dosežejo cilj izboljšanja mehanskih lastnosti materiala.

Elementi redkih zemelj v kompozitih polimerne matrice nanje vplivajo predvsem z izboljšanjem lastnosti polimerne matrice.Oksidi redkih zemelj lahko povečajo temperaturo termične razgradnje polimerov, medtem ko lahko karboksilati redkih zemelj izboljšajo toplotno stabilnost polivinilklorida.Dopiranje polistirena s spojinami redkih zemelj lahko izboljša stabilnost polistirena in znatno poveča njegovo udarno trdnost in upogibno trdnost.