Anvendelse af sjældne jordarter i kompositmaterialer

Anvendelse afSjælden Jordi kompositmaterialer
Sjældne jordarters elementer har en unik 4f elektronisk struktur, stort atomisk magnetisk moment, stærk spin-kobling og andre egenskaber. Ved dannelse af komplekser med andre elementer kan deres koordinationsnummer 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 udbredt til smeltning af højkvalitetsstål og ikke-jernholdige metaller, specielt glas og højtydende keramik, permanentmagnetmaterialer, materialer til brintlagring, selvlysende og lasermaterialer, nukleare materialer , og andre felter. Med den kontinuerlige udvikling af kompositmaterialer er anvendelsen af ​​sjældne jordarter også udvidet til feltet af kompositmaterialer, hvilket tiltrækker bred opmærksomhed for at forbedre grænsefladeegenskaberne mellem heterogene materialer.

De vigtigste anvendelsesformer for sjældne jordarter i fremstillingen af ​​kompositmaterialer omfatter: ① tilføjelsesjældne jordarters metallertil kompositmaterialer; ② Tilføj i form afsjældne jordarters oxidertil kompositmaterialet; ③ Polymerer doteret eller bundet med sjældne jordarters metaller i polymerer bruges som matrixmaterialer i kompositmaterialer. Blandt de ovennævnte tre former for anvendelse af sjældne jordarter er de to første former for det meste tilsat til metalmatrixkomposit, mens den tredje hovedsageligt anvendes til polymermatrixkompositter, og den keramiske matrixkomposit hovedsageligt tilsættes i den anden form.

Sjælden jordvirker hovedsageligt på metalmatrix og keramisk matrixkomposit i form af additiver, stabilisatorer og sintringsadditiver, hvilket i høj grad forbedrer deres ydeevne, reducerer produktionsomkostningerne og gør dets industrielle anvendelse mulig.

Tilsætning af sjældne jordarters elementer som tilsætningsstoffer i kompositmaterialer spiller hovedsageligt en rolle i at forbedre grænsefladeydelsen af ​​kompositmaterialer og fremme raffinementet af metalmatrixkorn. Virkningsmekanismen er som følger.

① Forbedre befugtningsevnen mellem metalmatrixen og forstærkningsfasen. Elektronegativiteten af ​​sjældne jordarters grundstoffer er relativt lav (jo mindre metallers elektronegativitet er, jo mere aktiv er ikke-metallers elektronegativitet). For eksempel er La 1,1, Ce er 1,12, og Y er 1,22. Elektronegativiteten af ​​almindeligt uædle metal Fe er 1,83, Ni er 1,91, og Al er 1,61. Derfor vil sjældne jordarters elementer fortrinsvis adsorbere på korngrænserne af metalmatricen og forstærkningsfasen under smelteprocessen, hvilket reducerer deres grænsefladeenergi, øger grænsefladens adhæsionsarbejde, reducerer befugtningsvinklen og forbedrer derved befugtningsevnen mellem matrixen. og forstærkningsfase. Forskning har vist, at tilsætning af La-element til aluminiumsmatrixen effektivt forbedrer befugtningen af ​​AlO og aluminiumsvæske og forbedrer mikrostrukturen af ​​kompositmaterialer.

② Fremme forfining af metalmatrixkorn. Opløseligheden af ​​sjældne jordarter i metalkrystal er lille, fordi atomradius af sjældne jordarters elementer er stor, og atomradius af metalmatrix er relativt lille. Indgangen af ​​sjældne jordarters elementer med større radius i matrixgitteret vil forårsage gitterforvrængning, hvilket vil øge systemenergien. For at opretholde den laveste frie energi kan sjældne jordarters atomer kun berige mod uregelmæssige korngrænser, hvilket til en vis grad hæmmer den frie vækst af matrixkorn. Samtidig vil de berigede sjældne jordarters elementer også adsorbere andre legeringselementer, hvilket øger koncentrationsgradienten af ​​legeringselementer, forårsager lokal komponentunderkøling og øger den heterogene nukleationseffekt af den flydende metalmatrix. Derudover kan underafkølingen forårsaget af elementær segregation også fremme dannelsen af ​​segregerede forbindelser og blive effektive heterogene nukleationspartikler, hvorved raffineringen af ​​metalmatrixkornene fremmes.

③ Rens korngrænser. På grund af den stærke affinitet mellem sjældne jordarters grundstoffer og grundstoffer som O, S, P, N osv., er standardfri dannelsesenergi for oxider, sulfider, phosphider og nitrider lav. Disse forbindelser har et højt smeltepunkt og lav massefylde, hvoraf nogle kan fjernes ved at flyde op fra legeringsvæsken, mens andre er jævnt fordelt inde i kornet, hvilket reducerer udskillelsen af ​​urenheder ved korngrænsen og derved renser korngrænsen og forbedre sin styrke.

Det skal bemærkes, at på grund af sjældne jordartsmetallers høje aktivitet og lave smeltepunkt, når de tilsættes til metalmatrixkomposit, skal deres kontakt med oxygen kontrolleres specielt under tilsætningsprocessen.

Et stort antal praksis har vist, at tilsætning af sjældne jordarters oxider som stabilisatorer, sintringshjælpemidler og dopingmodifikatorer til forskellige metalmatrixer og keramiske matrixkompositter i høj grad kan forbedre materialernes styrke og sejhed, reducere deres sintringstemperatur og dermed reducere produktionsomkostningerne. Hovedmekanismen for dens handling er som følger.

① Som sintringsadditiv kan det fremme sintring og reducere porøsiteten i kompositmaterialer. Tilsætningen af ​​sintringsadditiver er at generere en flydende fase ved høje temperaturer, reducere sintringstemperaturen af ​​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 af sjældne jordarters oxider kan de danne glasfaser med andre råmaterialer og fremme sintring, hvilket gør dem til et effektivt additiv. Samtidig kan det sjældne jordarters oxid også danne fast opløsning med den keramiske matrix, som kan generere krystaldefekter indeni, aktivere gitteret og fremme sintring.

② Forbedre mikrostrukturen og forfine kornstørrelsen. På grund af det faktum, at de tilsatte sjældne jordarters oxider hovedsageligt findes ved matrixens korngrænser, og på grund af deres store volumen, har sjældne jordarters oxider høj migrationsmodstand i strukturen og hindrer også migrationen af ​​andre ioner, hvorved de reducerer migrationshastighed af korngrænser, hæmmer kornvækst og hæmmer den unormale vækst af korn under højtemperatursintring. De kan opnå små og ensartede korn, hvilket er befordrende for dannelsen af ​​tætte strukturer; På den anden side går de ved at dope sjældne jordarters oxider ind i korngrænseglasfasen, hvilket forbedrer styrken af ​​glasfasen og opnår dermed målet om at forbedre materialets mekaniske egenskaber.

Sjældne jordarters elementer i polymermatrixkompositter påvirker dem hovedsageligt ved at forbedre egenskaberne af polymermatrixen. Oxider af sjældne jordarter kan øge den termiske nedbrydningstemperatur af polymerer, mens sjældne jordarters carboxylater kan forbedre den termiske stabilitet af polyvinylchlorid. Doping af polystyren med forbindelser af sjældne jordarter kan forbedre stabiliteten af ​​polystyren og betydeligt øge dets slagstyrke og bøjningsstyrke.