Care este influența oxizilor de pământuri rare asupra acoperirilor ceramice?

Ceramica, materialele metalice și materialele polimerice sunt enumerate ca fiind cele trei materiale solide principale. Ceramica are multe proprietăți excelente, cum ar fi rezistența la temperaturi ridicate, rezistența la coroziune, rezistența la uzură etc., deoarece modul de legare atomică al ceramicii este legătura ionică, legătura covalentă sau legătura mixtă ion-covalentă cu energie de legătură ridicată. Acoperirea ceramică poate schimba aspectul, structura și performanța suprafeței exterioare a substratului, compozitul acoperire-substrat fiind preferat pentru noile sale performanțe. Poate combina organic caracteristicile originale ale substratului cu caracteristicile de rezistență la temperaturi ridicate, rezistență ridicată la uzură și rezistență ridicată la coroziune ale materialelor ceramice și poate valorifica pe deplin avantajele complete ale celor două tipuri de materiale, fiind astfel utilizată pe scară largă în industria aerospațială, aviație, apărare națională, industria chimică și alte industrii.

Pământul rar este numit „casă de comori” pentru materiale noi, datorită structurii sale electronice 4f unice și proprietăților fizice și chimice. Cu toate acestea, metalele pure din pământuri rare sunt rareori utilizate direct în cercetare, iar compușii din pământuri rare sunt cei mai utilizați. Cei mai comuni compuși sunt CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS și ferosiliciu din pământuri rare. Acești compuși din pământuri rare pot îmbunătăți structura și proprietățile materialelor ceramice și ale acoperirilor ceramice.

Aplicarea oxizilor de pământuri rare în materialele ceramice

Adăugarea elementelor de pământuri rare ca stabilizatori și agenți adjuvanți de sinterizare la diferite tipuri de ceramică poate reduce temperatura de sinterizare, poate îmbunătăți rezistența și tenacitatea unor ceramici structurale și, prin urmare, poate reduce costul de producție. În același timp, elementele de pământuri rare joacă, de asemenea, un rol foarte important în senzorii de gaz semiconductori, mediile cu microunde, ceramica piezoelectrică și alte ceramice funcționale. Cercetarea a constatat că adăugarea a doi sau mai mulți oxizi de pământuri rare la ceramica de alumină este mai bună decât adăugarea unui singur oxid de pământuri rare la ceramica de alumină. După testul de optimizare, Y2O3 + CeO2 are cel mai bun efect. Când se adaugă 0,2% Y2O3 + 0,2% CeO2 la 1490 ℃, densitatea relativă a probelor sinterizate poate ajunge la 96,2%, ceea ce depășește densitatea probelor cu orice oxid de pământuri rare Y2O3 sau CeO2 singur.

Efectul La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 în promovarea sinterizării este mai bun decât cel al adăugării exclusive de La2O3, iar rezistența la uzură este evident îmbunătățită. De asemenea, se arată că amestecarea a doi oxizi de pământuri rare nu este o simplă adăugare, ci există o interacțiune între ei, ceea ce este mai benefic pentru sinterizarea și îmbunătățirea performanței ceramicii de alumină, însă principiul rămâne de studiat.

În plus, s-a constatat că adăugarea de oxizi metalici mixți din pământuri rare ca agenți auxiliari de sinterizare poate îmbunătăți migrarea materialelor, poate promova sinterizarea ceramicii de MgO și poate îmbunătăți densitatea. Cu toate acestea, atunci când conținutul de oxid metalic mixt este mai mare de 15%, densitatea relativă scade și porozitatea deschisă crește.

În al doilea rând, influența oxizilor de pământuri rare asupra proprietăților acoperirilor ceramice

Cercetările existente arată că elementele de pământuri rare pot rafina dimensiunea granulelor, pot crește densitatea, pot îmbunătăți microstructura și pot purifica interfața. Acestea joacă un rol unic în îmbunătățirea rezistenței, tenacității, durității, rezistenței la uzură și rezistenței la coroziune a acoperirilor ceramice, ceea ce îmbunătățește într-o oarecare măsură performanța acoperirilor ceramice și lărgește gama de aplicații a acoperirilor ceramice.

1

Îmbunătățirea proprietăților mecanice ale acoperirilor ceramice prin oxizi de pământuri rare

Oxizii de pământuri rare pot îmbunătăți semnificativ duritatea, rezistența la încovoiere și rezistența la tracțiune a acoperirilor ceramice. Rezultatele experimentale arată că rezistența la tracțiune a acoperirii poate fi îmbunătățită eficient prin utilizarea Lao_2 ca aditiv în materialul Al2O3 + 3% TiO_2, iar rezistența la tracțiune poate ajunge la 27,36 MPa atunci când cantitatea de Lao_2 este de 6,0%. Prin adăugarea de CeO2 cu o fracție de masă de 3,0% și 6,0% în materialul Cr2O3, rezistența la tracțiune a acoperirii este între 18~25 MPa, ceea ce este mai mare decât valoarea inițială de 12~16 MPa. Cu toate acestea, când conținutul de CeO2 este de 9,0%, rezistența la tracțiune scade la 12~15 MPa.

2

Îmbunătățirea rezistenței la șoc termic a acoperirii ceramice cu pământuri rare

Testul de rezistență la șoc termic este un test important pentru a reflecta calitativ rezistența legăturii dintre acoperire și substrat și potrivirea coeficientului de dilatare termică dintre acoperire și substrat. Acesta reflectă direct capacitatea acoperirii de a rezista la exfoliere atunci când temperatura se schimbă alternativ în timpul utilizării și reflectă, de asemenea, capacitatea acoperirii de a rezista la șocuri mecanice și la oboseală și capacitatea de lipire cu substratul din lateral. Prin urmare, este, de asemenea, factorul cheie pentru a evalua calitatea acoperirii ceramice.

Studiile arată că adăugarea a 3,0% CeO2 poate reduce porozitatea și dimensiunea porilor din acoperire și poate reduce concentrația de stres la marginea porilor, îmbunătățind astfel rezistența la șoc termic a acoperirii cu Cr2O3. Cu toate acestea, porozitatea acoperirii ceramice cu Al2O3 a scăzut, iar rezistența la lipire și durata de viață la șoc termic a acoperirii au crescut evident după adăugarea de LaO2. Când cantitatea de LaO2 adăugată este de 6% (fracție masică), rezistența la șoc termic a acoperirii este cea mai bună, iar durata de viață la șoc termic poate ajunge la 218 ori, în timp ce durata de viață la șoc termic a acoperirii fără LaO2 este de doar 163 de ori.

3

Oxizii de pământuri rare afectează rezistența la uzură a acoperirilor

Oxizii de pământuri rare utilizați pentru a îmbunătăți rezistența la uzură a acoperirilor ceramice sunt în mare parte CeO2 și La2O3. Structura lor hexagonală în straturi poate demonstra o bună funcție de lubrifiere și poate menține proprietăți chimice stabile la temperaturi ridicate, ceea ce poate îmbunătăți eficient rezistența la uzură și reduce coeficientul de frecare.

Cercetările arată că adăugarea de La2O3 la un strat de cermet pe bază de nichel pulverizat prin plasmă poate reduce în mod evident uzura prin frecare și coeficientul de frecare al stratului de acoperire, iar coeficientul de frecare este stabil, cu fluctuații mici. Suprafața de uzură a stratului de placare fără pământuri rare prezintă o aderență serioasă, fracturi fragile și exfoliere. Cu toate acestea, stratul de acoperire care conține pământuri rare prezintă o aderență slabă pe suprafața uzată și nu există semne de exfoliere fragilă pe suprafețe mari. Microstructura stratului de acoperire dopat cu pământuri rare este mai densă și mai compactă, iar porii sunt reduși, ceea ce reduce forța medie de frecare suportată de particulele microscopice și reduce frecarea și uzura. Doparea pământurilor rare poate, de asemenea, crește distanța planului cristalin al cermeturilor, ceea ce duce la modificarea forței de interacțiune dintre cele două fețe cristaline și reduce coeficientul de frecare.

Rezumat:

Deși oxizii de pământuri rare au înregistrat realizări remarcabile în aplicarea materialelor și acoperirilor ceramice, care pot îmbunătăți eficient microstructura și proprietățile mecanice ale materialelor și acoperirilor ceramice, există încă multe proprietăți necunoscute, în special în reducerea frecării și a uzurii. Modul de a face ca rezistența și rezistența la uzură a materialelor să coopereze cu proprietățile lor lubrifiante a devenit o direcție importantă demnă de discuții în domeniul tribologiei.

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