Anvendelse af sjældne jordarter i kompositmaterialer

Anvendelse afSjælden jordarti kompositmaterialer
Sjældne jordarter har en unik 4f elektronisk struktur, et stort atommagnetisk moment, stærk spinkobling og andre egenskaber. Når de danner komplekser med andre grundstoffer, kan deres koordinationstal variere fra 6 til 12. Sjældne jordarters forbindelser har en række forskellige krystalstrukturer. De særlige fysiske og kemiske egenskaber ved sjældne jordarter gør dem meget anvendte i smeltning af højkvalitetsstål og ikke-jernholdige metaller, specialglas og højtydende keramik, permanente magnetmaterialer, hydrogenlagringsmaterialer, luminescerende og lasermaterialer, nukleare materialer og andre områder. Med den kontinuerlige udvikling af kompositmaterialer er anvendelsen af ​​sjældne jordarter også udvidet til kompositmaterialer, hvilket har tiltrukket sig udbredt opmærksomhed på forbedring af grænsefladeegenskaberne mellem heterogene materialer.

De vigtigste anvendelsesformer for sjældne jordarter i fremstillingen af ​​kompositmaterialer omfatter: ① tilsætningsjældne jordartsmetallertil kompositmaterialer; ② Tilsæt i form afsjældne jordartsoxidertil kompositmaterialet; ③ Polymerer doteret eller bundet med sjældne jordarters metaller i polymerer anvendes som matrixmaterialer i kompositmaterialer. Blandt de ovennævnte tre former for sjældne jordarters anvendelse tilsættes de to første former hovedsageligt metalmatrixkompositter, mens den tredje hovedsageligt anvendes på polymermatrixkompositter, og den keramiske matrixkomposit hovedsageligt tilsættes i den anden form.

Sjælden jordartVirker primært på metalmatrix og keramisk matrixkomposit i form af additiver, stabilisatorer og sintringsadditiver, hvilket forbedrer deres ydeevne betydeligt, reducerer produktionsomkostningerne og muliggør industriel anvendelse.

Tilsætning af sjældne jordarter som tilsætningsstoffer i kompositmaterialer spiller primært en rolle i at forbedre grænsefladeegenskaberne i kompositmaterialer og fremme forfinelsen af ​​metalmatrixkorn. Virkningsmekanismen er som følger.

① Forbedr befugtningsevnen mellem metalmatricen og forstærkningsfasen. Elektronegativiteten af ​​sjældne jordarter er relativt lav (jo mindre elektronegativiteten af ​​metaller er, desto mere aktiv er elektronegativiteten af ​​ikke-metaller). For eksempel er La 1,1, Ce er 1,12, og Y er 1,22. Elektronegativiteten af ​​det almindelige basismetal Fe er 1,83, Ni er 1,91, og Al er 1,61. Derfor vil sjældne jordarter fortrinsvis adsorbere på korngrænserne af metalmatricen og forstærkningsfasen under smelteprocessen, hvilket reducerer deres grænsefladeenergi, øger grænsefladen vedhæftningsarbejde, reducerer befugtningsvinklen og derved forbedrer befugtningsevnen mellem matrixen og forstærkningsfasen. Forskning har vist, at tilsætning af La-elementet til aluminiummatrixen effektivt forbedrer befugtningsevnen af ​​AlO og aluminiumvæske og forbedrer mikrostrukturen af ​​kompositmaterialer.

② Fremme forfinelsen af ​​metalmatrixkorn. Sjældne jordarters opløselighed i metalkrystaller er lille, fordi atomradiusen af ​​sjældne jordarter er stor, og atomradiusen af ​​metalmatrixen er relativt lille. Indtrængen af ​​sjældne jordarter med større radius i matrixgitteret vil forårsage gitterforvrængning, hvilket vil øge systemenergien. For at opretholde den laveste frie energi kan sjældne jordarters atomer kun beriges mod uregelmæssige korngrænser, hvilket i et vist omfang hindrer matrixkornenes frie vækst. Samtidig vil de berigede sjældne jordarter også adsorbere andre legeringselementer, hvilket øger koncentrationsgradienten af ​​legeringselementerne, forårsager lokal underkøling af komponenterne og forstærker den heterogene kimdannelseseffekt af den flydende metalmatrix. Derudover kan underkølingen forårsaget af elementsegregering også fremme dannelsen af ​​segregerede forbindelser og blive effektive heterogene kimdannelsespartikler, hvorved forfinelsen af ​​metalmatrixkornene fremmes.

③ Rens korngrænser. På grund af den stærke affinitet mellem sjældne jordarter og elementer som O, S, P, N osv. er den standardfri dannelsesenergi for oxider, sulfider, fosfider og nitrider lav. Disse forbindelser har et højt smeltepunkt og lav densitet, hvoraf nogle kan fjernes ved at flyde op fra legeringsvæsken, mens andre er jævnt fordelt i kornet, hvilket reducerer adskillelsen af ​​urenheder ved korngrænsen, hvorved korngrænsen renses og dens styrke forbedres.

Det skal bemærkes, at på grund af den høje aktivitet og det lave smeltepunkt for sjældne jordartsmetaller, skal deres kontakt med ilt kontrolleres specifikt under tilsætningsprocessen, når de tilsættes metalmatrixkompositter.

Et stort antal praksisser har vist, at tilsætning af sjældne jordartsoxider som stabilisatorer, sintringshjælpemidler og doteringsmodifikatorer til forskellige metalmatrixer og keramiske matrixkompositter kan forbedre materialers styrke og sejhed betydeligt, reducere deres sintringstemperatur og dermed reducere produktionsomkostningerne. Hovedvirkningsmekanismen er som følger.

① Som sintringsadditiv kan det fremme sintring og reducere porøsitet i kompositmaterialer. Tilsætning af sintringsadditiver har til formål at generere en flydende fase ved høje temperaturer, reducere sintringstemperaturen for kompositmaterialer, hæmme højtemperaturnedbrydning af materialer under sintringsprocessen og opnå tætte kompositmaterialer gennem flydende fasesintring. På grund af den høje stabilitet, svage højtemperaturflygtighed og høje smelte- og kogepunkter for sjældne jordartsoxider kan de danne glasfaser med andre råmaterialer og fremme sintring, hvilket gør dem til et effektivt additiv. Samtidig kan sjældne jordartsoxider også danne fast opløsning med den keramiske matrix, hvilket kan generere krystaldefekter indeni, aktivere gitteret og fremme sintring.

② Forbedre mikrostrukturen og forfine kornstørrelsen. Da de tilsatte sjældne jordartsoxider hovedsageligt findes ved matrixens korngrænser, og på grund af deres store volumen, har sjældne jordartsoxider en høj migrationsmodstand i strukturen og hindrer også migrationen af ​​andre ioner, hvorved migrationshastigheden af ​​korngrænserne reduceres, kornvæksten hæmmes og den unormale vækst af korn under højtemperatursintring forhindres. De kan opnå små og ensartede korn, hvilket er befordrende for dannelsen af ​​tætte strukturer. Ved at dope sjældne jordartsoxider kommer de derimod ind i korngrænseglasfasen, hvilket forbedrer glasfasens styrke og dermed opnår målet om at forbedre materialets mekaniske egenskaber.

Sjældne jordarter i polymermatrixkompositter påvirker dem primært ved at forbedre polymermatrixens egenskaber. Oxider af sjældne jordarter kan øge polymerers termiske nedbrydningstemperatur, mens carboxylater af sjældne jordarter kan forbedre polyvinylchlorids termiske stabilitet. Doping af polystyren med sjældne jordarters forbindelser kan forbedre polystyrens stabilitet og øge dens slagstyrke og bøjningsstyrke betydeligt.