Ritkaföldfémek alkalmazása kompozit anyagokban

AlkalmazásaRitka Földa kompozit anyagokban
A ritkaföldfém elemek egyedi 4f elektronikus szerkezettel, nagy atomi mágneses momentummal, erős spin csatolással és egyéb jellemzőkkel rendelkeznek. Ha más elemekkel komplexeket képeznek, ezek koordinációs száma 6 és 12 között változhat. A ritkaföldfém-vegyületek sokféle kristályszerkezettel rendelkeznek. A ritkaföldfémek különleges fizikai és kémiai tulajdonságai miatt széles körben alkalmazhatók kiváló minőségű acélok és színesfémek, speciális üvegek és nagy teljesítményű kerámiák, állandó mágneses anyagok, hidrogéntároló anyagok, lumineszcens és lézeres anyagok, nukleáris anyagok olvasztására. , és más területeken. A kompozit anyagok folyamatos fejlesztésével a ritkaföldfémek alkalmazása a kompozit anyagok területére is kiterjedt, széleskörű figyelmet keltve a heterogén anyagok közötti interfész tulajdonságainak javításában.

A ritkaföldfémek fő alkalmazási formái a kompozit anyagok előállításában a következők: ① hozzáadásritkaföldfémekkompozit anyagokhoz; ② Add formájábanritkaföldfém-oxidoka kompozit anyaghoz; ③ A polimerekben lévő ritkaföldfémekkel adalékolt vagy kötött polimereket mátrixanyagként használják kompozit anyagokban. A ritkaföldfémek fenti három felhasználási formája közül az első két formát többnyire fémmátrix kompozithoz, míg a harmadikat főleg polimer mátrixú kompozitokhoz, a kerámia mátrix kompozitot pedig főként a második formában adják hozzá.

Ritkaföldfémfőként fémmátrixra és kerámia mátrix kompozitra hat adalékok, stabilizátorok és szinterező adalékok formájában, nagymértékben javítva azok teljesítményét, csökkentve a gyártási költségeket és lehetővé téve ipari alkalmazását.

A ritkaföldfémek adalékanyagként való hozzáadása a kompozit anyagokhoz főként a kompozit anyagok interfész-teljesítményének javításában és a fémmátrix szemcsék finomításában játszik szerepet. A hatásmechanizmus a következő.

① Javítja a nedvesíthetőséget a fémmátrix és az erősítő fázis között. A ritkaföldfémek elektronegativitása viszonylag alacsony (minél kisebb a fémek elektronegativitása, annál aktívabb a nemfémek elektronegativitása). Például La 1,1, Ce 1,12 és Y 1,22. A közönséges Fe nem nemesfém elektronegativitása 1,83, Ni 1,91 és Al 1,61. Ezért a ritkaföldfém elemek az olvasztási folyamat során a fémmátrix szemcsehatárain és az erősítési fázison adszorbeálódnak, csökkentve határfelületi energiájukat, növelve a határfelület tapadási munkáját, csökkentve a nedvesítési szöget, és ezáltal javítva a mátrix közötti nedvesíthetőséget. és megerősítési szakasz. A kutatások kimutatták, hogy La elem hozzáadása az alumíniummátrixhoz hatékonyan javítja az AlO és az alumínium folyadék nedvesíthetőségét, valamint javítja a kompozit anyagok mikroszerkezetét.

② A fémmátrix szemcsék finomításának elősegítése. A ritkaföldfémek oldhatósága fémkristályban kicsi, mivel a ritkaföldfém elemek atomsugara nagy, a fémmátrixé pedig viszonylag kicsi. Nagyobb sugarú ritkaföldfém elemek bejutása a mátrixrácsba rácstorzulást okoz, ami növeli a rendszer energiáját. A legalacsonyabb szabadenergia fenntartása érdekében a ritkaföldfém atomok csak szabálytalan szemcsehatárok felé dúsulhatnak, ami bizonyos mértékig akadályozza a mátrixszemcsék szabad növekedését. Ugyanakkor a dúsított ritkaföldfém elemek más ötvözetelemeket is adszorbeálnak, növelve az ötvözetelemek koncentráció-gradiensét, ami a helyi komponensek alulhűtését okozza, és fokozza a folyékony fémmátrix heterogén gócképző hatását. Emellett az elemi szegregáció okozta alulhűtés elősegítheti a szegregált vegyületek képződését és hatékony heterogén gócképző részecskékké válhat, elősegítve ezzel a fémmátrix szemcsék finomodását.

③ Tisztítsa meg a szemcsehatárokat. A ritkaföldfémek és az olyan elemek közötti erős affinitás miatt, mint az O, S, P, N stb., az oxidok, szulfidok, foszfidok és nitridek képződésének standard szabad energiája alacsony. Ezeknek a vegyületeknek magas az olvadáspontja és alacsony a sűrűsége, amelyek egy része az ötvözetfolyadékból felúszva eltávolítható, míg mások egyenletesen oszlanak el a szemcsén belül, csökkentve a szennyeződések szegregációját a szemcsehatáron, ezáltal megtisztítva a szemcsehatárt, ill. javítja az erejét.

Megjegyzendő, hogy a ritkaföldfémek nagy aktivitása és alacsony olvadáspontja miatt, amikor fémmátrix kompozithoz adják őket, az oxigénnel való érintkezésüket speciálisan ellenőrizni kell az adagolási folyamat során.

Számos gyakorlat bebizonyította, hogy ritkaföldfém-oxidok stabilizátorként, szinterezési segédanyagként és adalékolás-módosítóként történő hozzáadása különböző fémmátrix- és kerámiamátrix-kompozitokhoz nagymértékben javíthatja az anyagok szilárdságát és szívósságát, csökkentheti szinterezési hőmérsékletüket, és ezáltal csökkentheti a gyártási költségeket. A fő hatásmechanizmus a következő.

① Szinterező adalékként elősegítheti a szinterezést és csökkentheti a kompozit anyagok porozitását. A szinterező adalékok hozzáadásával folyadékfázis képződik magas hőmérsékleten, csökkenti a kompozit anyagok szinterezési hőmérsékletét, gátolja az anyagok magas hőmérsékleten történő bomlását a szinterezési folyamat során, és sűrű kompozit anyagokat állít elő folyadékfázisú szinterezéssel. A ritkaföldfém-oxidok nagy stabilitása, gyenge magas hőmérsékletű illékonysága, valamint magas olvadáspontja és forráspontja miatt más nyersanyagokkal üvegfázisokat képezhetnek és elősegítik a szinterezést, így hatékony adalékanyag. Ugyanakkor a ritkaföldfém-oxid szilárd oldatot is képezhet a kerámia mátrixszal, ami kristályhibákat generálhat benne, aktiválhatja a rácsot és elősegítheti a szinterezést.

② A mikrostruktúra javítása és a szemcseméret finomítása. Tekintettel arra, hogy a hozzáadott ritkaföldfém-oxidok főként a mátrix szemcsehatárain találhatók meg, és nagy térfogatuk miatt a ritkaföldfém-oxidok nagy migrációs ellenállással rendelkeznek a szerkezetben, valamint akadályozzák más ionok migrációját, ezáltal csökkentik a a szemcsehatárok vándorlási sebessége, gátolja a szemek növekedését, és gátolja a szemek rendellenes növekedését a magas hőmérsékletű szinterezés során. Kicsi és egyenletes szemcséket kaphatnak, ami elősegíti a sűrű szerkezetek kialakulását; Másrészt a ritkaföldfém-oxidok adalékolásával bejutnak a szemcsehatár üvegfázisba, javítva az üvegfázis szilárdságát, és ezzel elérik az anyag mechanikai tulajdonságainak javításának célját.

A polimer mátrix kompozitokban található ritkaföldfémek főként a polimer mátrix tulajdonságainak javításával hatnak rájuk. A ritkaföldfém-oxidok növelhetik a polimerek hőbomlási hőmérsékletét, míg a ritkaföldfém-karboxilátok javíthatják a polivinil-klorid hőstabilitását. A polisztirol ritkaföldfém-vegyületekkel történő adalékolása javíthatja a polisztirol stabilitását, és jelentősen növelheti ütő- és hajlítószilárdságát.