AplicareaPământ rarîn Materiale Compozite
Elementele de pământuri rare au o structură electronică 4f unică, un moment magnetic atomic mare, o cuplare puternică de spin și alte caracteristici. Atunci când formează complexe cu alte elemente, numărul lor de coordonare poate varia de la 6 la 12. Compușii de pământuri rare au o varietate de structuri cristaline. Proprietățile fizice și chimice speciale ale pământurilor rare le fac utilizate pe scară largă în topirea oțelului de înaltă calitate și a metalelor neferoase, a sticlei speciale și a ceramicii de înaltă performanță, a materialelor cu magneți permanenți, a materialelor de stocare a hidrogenului, a materialelor luminescente și laser, a materialelor nucleare și în alte domenii. Odată cu dezvoltarea continuă a materialelor compozite, aplicarea pământurilor rare s-a extins și în domeniul materialelor compozite, atrăgând o atenție largă în îmbunătățirea proprietăților de interfață dintre materialele eterogene.
Principalele forme de aplicare a pământurilor rare în prepararea materialelor compozite includ: ① adăugareametale de pământuri rarela materiale compozite; ② Adăugați sub formă deoxizi de pământuri rarela materialul compozit; ③ Polimerii dopați sau legați cu metale de pământuri rare în polimeri sunt utilizați ca materiale matrice în materialele compozite. Dintre cele trei forme de aplicare a pământurilor rare de mai sus, primele două forme sunt adăugate în principal la compozitele cu matrice metalică, în timp ce a treia este aplicată în principal la compozitele cu matrice polimerică, iar compozitele cu matrice ceramică sunt adăugate în principal în a doua formă.
Pământ raracționează în principal asupra compozitelor cu matrice metalică și matrice ceramică sub formă de aditivi, stabilizatori și aditivi de sinterizare, îmbunătățind considerabil performanța acestora, reducând costurile de producție și făcând posibilă aplicarea sa industrială.
Adăugarea elementelor de pământuri rare ca aditivi în materialele compozite joacă un rol principal în îmbunătățirea performanței la interfață a materialelor compozite și promovarea rafinării granulelor matricei metalice. Mecanismul de acțiune este următorul.
① Îmbunătățirea umectabilității dintre matricea metalică și faza de armare. Electronegativitatea elementelor de pământuri rare este relativ scăzută (cu cât electronegativitatea metalelor este mai mică, cu atât electronegativitatea nemetalelor este mai activă). De exemplu, La este 1,1, Ce este 1,12 și Y este 1,22. Electronegativitatea metalului de bază comun Fe este 1,83, Ni este 1,91 și Al este 1,61. Prin urmare, elementele de pământuri rare se vor adsorbi preferențial pe limitele granulelor matricei metalice și fazei de armare în timpul procesului de topire, reducând energia lor de interfață, crescând lucrul mecanic de aderență al interfeței, reducând unghiul de umectare și îmbunătățind astfel umectabilitatea dintre matrice și faza de armare. Cercetările au arătat că adăugarea elementului La la matricea de aluminiu îmbunătățește eficient umectabilitatea AlO₃ și a aluminiului lichid și îmbunătățește microstructura materialelor compozite.
② Promovează rafinarea granulelor matricei metalice. Solubilitatea pământurilor rare în cristalele metalice este mică, deoarece raza atomică a elementelor de pământuri rare este mare, iar raza atomică a matricei metalice este relativ mică. Pătrunderea elementelor de pământuri rare cu o rază mai mare în rețeaua matricei va provoca distorsiuni ale rețelei, ceea ce va crește energia sistemului. Pentru a menține cea mai mică energie liberă, atomii de pământuri rare se pot îmbogăți doar spre limite neregulate ale granulelor, ceea ce împiedică într-o oarecare măsură creșterea liberă a granulelor matricei. În același timp, elementele de pământuri rare îmbogățite vor adsorbi și alte elemente de aliaj, crescând gradientul de concentrație al elementelor de aliaj, provocând subrăcirea locală a componentelor și sporind efectul de nucleație eterogenă a matricei metalice lichide. În plus, subrăcirea cauzată de segregarea elementară poate promova, de asemenea, formarea de compuși segregați și poate deveni particule de nucleație eterogene eficiente, promovând astfel rafinarea granulelor matricei metalice.
③ Purificarea limitelor granulelor. Datorită afinității puternice dintre elementele de pământuri rare și elemente precum O, S, P, N etc., energia liberă standard de formare pentru oxizi, sulfuri, fosfuri și nitruri este scăzută. Acești compuși au un punct de topire ridicat și o densitate scăzută, dintre care unii pot fi îndepărtați prin plutire din lichidul aliajului, în timp ce alții sunt distribuiți uniform în interiorul granulelor, reducând segregarea impurităților la limita granulelor, purificând astfel limita granulelor și îmbunătățind rezistența acesteia.
Trebuie menționat că, din cauza activității ridicate și a punctului de topire scăzut al metalelor din pământuri rare, atunci când acestea sunt adăugate la compozitul cu matrice metalică, contactul lor cu oxigenul trebuie controlat în mod special în timpul procesului de adăugare.
Un număr mare de practici au dovedit că adăugarea de oxizi de pământuri rare ca stabilizatori, adjuvanți de sinterizare și modificatori de dopare la diferite compozite cu matrice metalică și matrice ceramică poate îmbunătăți considerabil rezistența și tenacitatea materialelor, poate reduce temperatura de sinterizare și, prin urmare, costurile de producție. Principalul mecanism al acțiunii sale este următorul.
① Ca aditiv de sinterizare, poate promova sinterizarea și reduce porozitatea materialelor compozite. Adăugarea de aditivi de sinterizare are ca scop generarea unei faze lichide la temperaturi ridicate, reducerea temperaturii de sinterizare a materialelor compozite, inhibarea descompunerii la temperaturi ridicate a materialelor în timpul procesului de sinterizare și obținerea de materiale compozite dense prin sinterizarea în fază lichidă. Datorită stabilității ridicate, volatilității slabe la temperaturi ridicate și punctelor ridicate de topire și fierbere ale oxizilor de pământuri rare, aceștia pot forma faze vitroase cu alte materii prime și pot promova sinterizarea, ceea ce îi face un aditiv eficient. În același timp, oxidul de pământuri rare poate forma, de asemenea, o soluție solidă cu matricea ceramică, ceea ce poate genera defecte cristaline în interior, activa rețeaua și promova sinterizarea.
② Îmbunătățirea microstructurii și rafinarea dimensiunii granulelor. Datorită faptului că oxizii de pământuri rare adăugați se află în principal la limitele granulelor matricei și datorită volumului lor mare, oxizii de pământuri rare au o rezistență ridicată la migrare în structură și, de asemenea, împiedică migrarea altor ioni, reducând astfel rata de migrare a limitelor granulelor, inhibând creșterea granulelor și împiedicând creșterea anormală a granulelor în timpul sinterizării la temperaturi ridicate. Se pot obține granule mici și uniforme, ceea ce conduce la formarea unor structuri dense; Pe de altă parte, prin doparea oxizilor de pământuri rare, aceștia intră în faza vitroasă a limitei granulelor, îmbunătățind rezistența fazei vitroase și atingând astfel obiectivul de îmbunătățire a proprietăților mecanice ale materialului.
Elementele de pământuri rare din compozitele cu matrice polimerică le afectează în principal prin îmbunătățirea proprietăților matricei polimerice. Oxizii de pământuri rare pot crește temperatura de descompunere termică a polimerilor, în timp ce carboxilații de pământuri rare pot îmbunătăți stabilitatea termică a clorurii de polivinil. Doparea polistirenului cu compuși de pământuri rare poate îmbunătăți stabilitatea polistirenului și poate crește semnificativ rezistența la impact și rezistența la încovoiere.
Data publicării: 26 aprilie 2023