Застосування рідкісної землі в композитних матеріалах

ЗастосуванняРідкісна земляв композитних матеріалах
Рідкісні елементи Землі мають унікальну електронну структуру 4F, великий атомний магнітний момент, сильне спінове з'єднання та інші характеристики. При формуванні комплексів з іншими елементами їх номер координації може змінюватись від 6 до 12. Рідкісні сполуки Землі мають різноманітні кристалічні структури. Спеціальні фізичні та хімічні властивості рідкісних земель роблять їх широко використовуються для виплавки високоякісних сталевих та кольорових металів, спеціальних скляних та високоефективних керамічних матеріалів, постійних магнітних матеріалів, матеріалів для зберігання водню, люмінесцентних та лазерних матеріалів, ядерних матеріалів та інших полів. Завдяки безперервному розвитку композиційних матеріалів застосування рідкісних земель також розширилося до поля композиційних матеріалів, привертаючи широку увагу у покращенні властивостей інтерфейсу між гетерогенними матеріалами.

Основні форми заявки на рідкісну землю в підготовці композитних матеріалів включають: ① додаванняРідкісні земні металидо композитних матеріалів; ② Додати у виглядірідкісні оксиди землідо складеного матеріалу; ③ Полімери, лежані або пов'язані з рідкісними земляними металами в полімерах, використовуються як матричні матеріали в композитних матеріалах. Серед вищезгаданих трьох форм застосування рідкісних земель перші дві форми в основному додаються до композитів металевої матриці, тоді як третій в основному застосовується до композитів полімерної матриці, а композит керамічної матриці в основному додається у другому вигляді.

Рідкісна земляВ основному діє на металеву матрицю та композиту керамічної матриці у вигляді добавок, стабілізаторів та добавок для спікання, значно покращуючи їх ефективність, зменшуючи витрати на виробництво та можливим його промислове застосування.

Додавання рідкісних земельних елементів як добавок до композитних матеріалів в основному відіграє роль у покращенні продуктивності інтерфейсу композитних матеріалів та сприяючи вишуканню металевих матричних зерен. Механізм дії такий.

① Поліпшення змочуваності між металевою матрицею та підсилюючою фазою. Електронегативність рідкісних елементів Землі відносно низька (чим менша електронегативність металів, тим активніша електронегативність неметалів). Наприклад, LA - 1,1, CE - 1,12, а Y - 1,22. Електронегативність загального основного металу Fe - 1,83, Ni - 1,91, а Al - 1,61. Таким чином, рідкісні елементи Землі переважно адсорбують на межах зерна металевої матриці та арматури під час процесу виплавки, зменшуючи енергію їх інтерфейсу, збільшуючи адгезійну роботу інтерфейсу, зменшуючи кут змочування, і тим самим покращуючи змогу між матрицею та підсиленням. Дослідження показали, що додавання елемента LA до алюмінієвої матриці ефективно покращує змочуваність рідини ало та алюмінію та покращує мікроструктуру композитних матеріалів.

② Сприяйте вдосконаленні зерен металевих матриць. Розчинність рідкісної землі в металевому кристалі невелика, оскільки атомний радіус рідкісних елементів землі великий, а атомний радіус металевої матриці відносно невеликий. Введення рідкісних земляних елементів з більшим радіусом у матричну решітку спричинить спотворення решітки, що збільшить енергію системи. Щоб підтримувати найнижчу вільну енергію, рідкісні атоми землі можуть збагачуватися лише до неправильних зернових меж, що певною мірою перешкоджає вільному зростанню матричних зерен. У той же час збагачені рідкісні елементи Землі також адсорбують інші елементи сплаву, збільшуючи градієнт концентрації елементів сплаву, спричиняючи місцеве компонента, що піддається охолодженню, та посилюючи гетерогенний ефект нуклеації матриці рідкого металу. Крім того, недооцінка, спричинене елементарною сегрегацією, також може сприяти утворенню відокремлених сполук і стати ефективними неоднорідними частинками зародження, тим самим сприяючи вдосконаленню металевих матричних зерен.

③ Очистити межі зерна. Через сильну спорідненість між рідкісними елементами землі та елементами, такими як O, S, P, N тощо, стандартна вільна енергія утворення оксидів, сульфідів, фосфідів та нітридів низька. Ці сполуки мають високу температуру плавлення та низьку щільність, деякі з яких можна усунути шляхом плавання з сплаву, а інші рівномірно розподіляються в межах зерна, зменшуючи сегрегацію домішок на межі зерна, тим самим очищаючи межу зерна та покращуючи його силу.

Слід зазначити, що завдяки високій активності та низькій температурі плавлення рідкісних металів Землі, коли вони додаються до композиту металевої матриці, їх контакт з киснем повинен спеціально контролювати під час процесу додавання.

Велика кількість практик довела, що додавання рідкісних оксидів землі як стабілізаторів, спікання СНІДу та допінгу до різної металевої матриці та композиції керамічної матриці можуть значно покращити міцність і міцність матеріалів, зменшити температуру їх спікання і, таким чином, зменшити витрати на виробництво. Основний механізм його дії полягає в наступному.

① Як адитивна спікання, вона може сприяти спілу та зменшити пористість у композитних матеріалах. Додавання добавок для спікання полягає у створенні рідкої фази при високих температурах, зниження температури спікання композитних матеріалів, гальмують високотемпературне розкладання матеріалів під час процесу спікання та отримують щільні композитні матеріали за допомогою спікання рідкої фази. Через високу стабільність, слабку високотемпературну мінливість та високі температури плавлення та кипіння рідкісних оксидів Землі вони можуть утворювати скляні фази з іншою сировиною та сприяти спіровуванню, що робить їх ефективною добавкою. У той же час, рідкісний оксид Землі також може утворювати суцільний розчин з керамічною матрицею, який може генерувати дефекти кристалів всередині, активуючи решітку та сприяти спіканню.

② Поліпшення мікроструктури та вдосконалення розміру зерна. Через те, що додаткові рідкісні оксиди землі в основному існують на межах зерна матриці, а через їх великий об'єм рідкісні оксиди Землі мають високу міграційну стійкість у структурі, а також перешкоджають міграції інших іонів, тим самим знижуючи швидкість міграції зернових меж, гальмуючи ріст зерна та перешкоджаючи нерівному росту зерна під час високого відмежовування. Вони можуть отримати невеликі та рівномірні зерна, що сприяє утворенню щільних структур; З іншого боку, шляхом допінгу рідкісних оксидів землі, вони потрапляють у граничну скляну фазу зерна, покращуючи силу скляної фази і, таким чином, досягаючи мети покращення механічних властивостей матеріалу.

Рідкісні елементи Землі в композитах полімерної матриці в основному впливають на їх, покращуючи властивості полімерної матриці. Рідкісні оксиди Землі можуть підвищити температуру термічного розкладання полімерів, тоді як рідкісні карбоксилатів землі можуть покращити теплову стійкість полівінілхлориду. Допінг -полістирол з рідкісними земляними сполуками може покращити стабільність полістиролу та значно збільшити його силу впливу та міцність на згинання.