Kakšen je vpliv redkozemeljskih oksidov na keramične prevleke?

Keramika, kovinski materiali in polimerni materiali so navedeni kot trije glavni trdni materiali. Keramika ima številne odlične lastnosti, kot so odpornost proti visokim temperaturam, koroziji, obrabi itd., saj je atomski način vezave keramike ionska vez, kovalentna vez ali mešana ionsko-kovalentna vez z visoko energijo vezi. Keramični premaz lahko spremeni videz, strukturo in delovanje zunanje površine substrata. Kompozit premaz-substrat je priljubljen zaradi svojih novih lastnosti. Organsko lahko združi prvotne lastnosti substrata z značilnostmi odpornosti proti visokim temperaturam, visoki odpornosti proti obrabi in visoki koroziji keramičnih materialov ter v celoti izkoristi celovite prednosti obeh vrst materialov, zato se pogosto uporablja v vesoljski, letalski, obrambni, kemični in drugih panogah.

Redke zemeljske kovine zaradi svoje edinstvene 4f elektronske strukture ter fizikalnih in kemijskih lastnosti imenujejo "zakladnica" novih materialov. Vendar pa se čiste redke zemeljske kovine redko uporabljajo neposredno v raziskavah, večinoma pa se uporabljajo redke zemeljske spojine. Najpogostejše spojine so CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS in redki zemeljski ferosilicij. Te redke zemeljske spojine lahko izboljšajo strukturo in lastnosti keramičnih materialov in keramičnih premazov.

Uporaba redkozemeljskih oksidov v keramičnih materialih

Dodajanje redkozemeljskih elementov kot stabilizatorjev in dodatkov za sintranje različnim keramikam lahko zniža temperaturo sintranja, izboljša trdnost in žilavost nekaterih strukturnih keramik ter s tem zmanjša proizvodne stroške. Hkrati imajo redkozemeljski elementi zelo pomembno vlogo tudi v polprevodniških plinskih senzorjih, mikrovalovnih medijih, piezoelektrični keramiki in drugi funkcionalni keramiki. Raziskava je pokazala, da je dodajanje dveh ali več redkozemeljskih oksidov aluminijevi keramiki skupaj boljše kot dodajanje enega samega redkozemeljskega oksida aluminijevi keramiki. Po optimizacijskem testu ima Y2O3 + CeO2 najboljši učinek. Ko se pri 1490 ℃ doda 0,2 % Y2O3 + 0,2 % CeO2, lahko relativna gostota sintranih vzorcev doseže 96,2 %, kar presega gostoto vzorcev s katerim koli redkozemeljskim oksidom Y2O3 ali CeO2 samim.

Učinek La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 pri spodbujanju sintranja je boljši kot pri dodajanju samo La2O3, odpornost proti obrabi pa se očitno izboljša. Prav tako kaže, da mešanje dveh redkozemeljskih oksidov ni preprost dodatek, temveč obstaja interakcija med njima, kar je bolj koristno za sintranje in izboljšanje učinkovitosti aluminijeve keramike, vendar je treba načelo še preučiti.

Poleg tega je bilo ugotovljeno, da lahko dodatek mešanih oksidov redkih zemeljskih kovin kot dodatkov za sintranje izboljša migracijo materialov, pospeši sintranje MgO keramike in izboljša gostoto. Ko pa je vsebnost mešanih oksidov večja od 15 %, se relativna gostota zmanjša in odprta poroznost poveča.

Drugič, vpliv redkozemeljskih oksidov na lastnosti keramičnih premazov

Obstoječe raziskave kažejo, da lahko redkozemeljski elementi izboljšajo velikost zrn, povečajo gostoto, izboljšajo mikrostrukturo in prečistijo vmesnik. To ima edinstveno vlogo pri izboljšanju trdnosti, žilavosti, trdote, odpornosti proti obrabi in koroziji keramičnih premazov, kar do neke mere izboljša njihovo delovanje in razširi njihovo področje uporabe.

1

Izboljšanje mehanskih lastnosti keramičnih premazov z redkozemeljskimi oksidi

Redkozemeljski oksidi lahko znatno izboljšajo trdoto, upogibno trdnost in natezno trdnost keramičnih premazov. Eksperimentalni rezultati kažejo, da se lahko natezna trdnost premaza učinkovito izboljša z uporabo Lao_2 kot dodatka v materialu Al2O3 + 3 % TiO_2, natezna trdnost pa lahko doseže 27,36 MPa, če je količina Lao_2 6,0 %. Z dodajanjem CeO2 z masnim deležem 3,0 % in 6,0 % v material Cr2O3 je natezna trdnost premaza med 18 in 25 MPa, kar je več kot prvotnih 12 in 16 MPa. Ko pa je vsebnost CeO2 9,0 %, se natezna trdnost zmanjša na 12 in 15 MPa.

2

Izboljšanje odpornosti keramičnega premaza na toplotne udarce z redkimi zemeljami

Preskus odpornosti na toplotne udarce je pomemben preizkus, ki kvalitativno odraža trdnost vezi med premazom in podlago ter ujemanje koeficienta toplotnega raztezanja med premazom in podlago. Neposredno odraža sposobnost premaza, da se upre luščenju pri izmeničnih spremembah temperature med uporabo, in odraža tudi sposobnost premaza, da se upre mehanskim udarcem in utrujenosti ter sposobnost vezave na podlago s strani. Zato je tudi ključni dejavnik za presojo kakovosti keramičnega premaza.

Raziskava kaže, da lahko dodatek 3,0 % CeO2 zmanjša poroznost in velikost por v prevleki ter zmanjša koncentracijo napetosti na robovih por, s čimer se izboljša odpornost prevleke Cr2O3 na toplotni šok. Vendar pa se je poroznost keramične prevleke Al2O3 zmanjšala, trdnost vezi in življenjska doba prevleke zaradi toplotnega šoka pa sta se po dodatku LaO2 opazno povečali. Ko je dodana količina LaO2 6 % (masni delež), je odpornost prevleke proti toplotnemu šoku najboljša, življenjska doba prevleke zaradi toplotnega šoka pa lahko doseže 218-krat, medtem ko je življenjska doba prevleke brez LaO2 le 163-krat večja.

3

Redkozemeljski oksidi vplivajo na odpornost premazov proti obrabi

Redkozemeljski oksidi, ki se uporabljajo za izboljšanje odpornosti keramičnih premazov proti obrabi, so večinoma CeO2 in La2O3. Njihova heksagonalna plastovita struktura lahko kaže dobro mazalno funkcijo in ohranja stabilne kemijske lastnosti pri visoki temperaturi, kar lahko učinkovito izboljša odpornost proti obrabi in zmanjša koeficient trenja.

Raziskava kaže, da je koeficient trenja prevleke z ustrezno količino CeO2 majhen in stabilen. Poročali so, da lahko dodajanje La2O3 plazemsko brizgani kermetni prevleki na osnovi niklja očitno zmanjša trenje, obrabo in koeficient trenja prevleke, koeficient trenja pa je stabilen z majhnimi nihanji. Obraba površine obloge brez redkih zemelj kaže močno oprijemljivost ter krhek lom in luščenje. Vendar pa prevleka, ki vsebuje redke zemlje, kaže šibko oprijemljivost na obrabljeni površini in ni znakov krhkega luščenja na večjih površinah. Mikrostruktura prevleke, dopirane z redkimi zemljami, je gostejša in bolj kompaktna, pore pa so zmanjšane, kar zmanjša povprečno silo trenja, ki jo prenašajo mikroskopski delci, ter zmanjša trenje in obrabo. Dopiranje z redkimi zemljami lahko poveča tudi razdaljo med kristalno ravnino kermetov, kar vodi do spremembe sile interakcije med obema kristalnima ploskvama in zmanjša koeficient trenja.

Povzetek:

Čeprav so redkozemeljski oksidi dosegli velike dosežke pri uporabi keramičnih materialov in premazov, ki lahko učinkovito izboljšajo mikrostrukturo in mehanske lastnosti keramičnih materialov in premazov, je še vedno veliko neznanih lastnosti, zlasti pri zmanjševanju trenja in obrabe. Kako doseči, da trdnost in odpornost materialov proti obrabi sodelujeta z njihovimi mazalnimi lastnostmi, je postala pomembna smer, vredna razprave na področju tribologije.

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