Застосування рідкоземельних елементів у композиційних матеріалах

ЗастосуванняРідкоземельнів композиційних матеріалах
Рідкоземельні елементи мають унікальну електронну структуру 4f, великий атомний магнітний момент, сильний спіновий зв’язок та інші характеристики. При утворенні комплексів з іншими елементами їх координаційне число може змінюватися від 6 до 12. Рідкоземельні сполуки мають різноманітну кристалічну будову. Особливі фізичні та хімічні властивості рідкісноземельних елементів дозволяють широко використовувати їх у виплавці високоякісної сталі та кольорових металів, спеціального скла та високоефективної кераміки, матеріалів з постійними магнітами, матеріалів для зберігання водню, люмінесцентних та лазерних матеріалів, ядерних матеріалів. та інші поля. З безперервним розвитком композитних матеріалів застосування рідкісноземельних елементів також розширилося до області композитних матеріалів, привертаючи широку увагу до покращення властивостей розділу між гетерогенними матеріалами.

Основні форми застосування рідкоземельних елементів у виготовленні композитних матеріалів включають: ① додаваннярідкоземельні металидо композиційних матеріалів; ② Додайте у формірідкоземельні оксидидо композитного матеріалу; ③ Полімери, леговані або зв’язані рідкоземельними металами в полімерах, використовуються як матричні матеріали в композиційних матеріалах. Серед наведених вище трьох форм застосування рідкоземельних матеріалів перші дві форми в основному додаються до композиту з металевою матрицею, тоді як третя в основному застосовується до композитів з полімерною матрицею, а композит з керамічною матрицею в основному додається у другій формі.

Рідкісноземельнів основному діє на металеву матрицю та керамічну матрицю у вигляді добавок, стабілізаторів і добавок для спікання, значно покращуючи їх характеристики, знижуючи виробничі витрати та роблячи можливим її промислове застосування.

Додавання рідкоземельних елементів як добавок до композиційних матеріалів головним чином відіграє роль у покращенні характеристик інтерфейсу композитних матеріалів і сприянні подрібненню зерен металевої матриці. Механізм дії полягає в наступному.

① Поліпшити змочуваність між металевою матрицею та армуючою фазою. Електронегативність рідкоземельних елементів відносно низька (чим менше електронегативність металів, тим активніше електронегативність неметалів). Наприклад, La дорівнює 1,1, Ce дорівнює 1,12, а Y дорівнює 1,22. Електронегативність звичайного основного металу Fe становить 1,83, Ni становить 1,91, а Al становить 1,61. Таким чином, рідкоземельні елементи переважно адсорбуються на границях зерен металевої матриці та фази зміцнення під час процесу плавлення, зменшуючи їхню енергію розділу, збільшуючи роботу адгезії до розділу, зменшуючи кут змочування та, таким чином, покращуючи змочуваність між матрицею та і фаза підкріплення. Дослідження показали, що додавання елемента La до алюмінієвої матриці ефективно покращує змочуваність AlO та алюмінієвої рідини, а також покращує мікроструктуру композитних матеріалів.

② Сприяти покращенню зерна металевої матриці. Розчинність рідкоземельних елементів у металевому кристалі мала, оскільки атомний радіус рідкоземельних елементів великий, а атомний радіус металевої матриці відносно малий. Входження рідкоземельних елементів з більшим радіусом у решітку матриці спричинить спотворення решітки, що збільшить енергію системи. Щоб підтримувати найнижчу вільну енергію, рідкоземельні атоми можуть збагачуватися лише до нерегулярних меж зерен, що певною мірою перешкоджає вільному зростанню зерен матриці. У той же час збагачені рідкоземельні елементи також адсорбують інші елементи сплаву, збільшуючи градієнт концентрації елементів сплаву, спричиняючи локальне переохолодження компонентів і посилюючи гетерогенний ефект зародження рідкої металевої матриці. Крім того, переохолодження, спричинене сегрегацією елементів, також може сприяти утворенню розділених сполук і стати ефективними неоднорідними частинками зародження, таким чином сприяючи подрібненню зерен металевої матриці.

③ Очистити межі зерен. Через сильну спорідненість між рідкоземельними елементами та такими елементами, як O, S, P, N тощо, стандартна вільна енергія утворення оксидів, сульфідів, фосфідів і нітридів є низькою. Ці сполуки мають високу температуру плавлення та низьку густину, деякі з яких можна видалити, спливаючи з рідини сплаву, тоді як інші рівномірно розподіляються всередині зерна, зменшуючи сегрегацію домішок на межі зерна, тим самим очищаючи межу зерна та підвищення його міцності.

Слід зазначити, що через високу активність і низьку температуру плавлення рідкоземельних металів, коли вони додаються до металевого матричного композиту, їх контакт з киснем необхідно спеціально контролювати в процесі додавання.

Велика кількість практик довела, що додавання рідкоземельних оксидів як стабілізаторів, допоміжних речовин спікання та легуючих модифікаторів до різних композитів з металевою матрицею та керамічною матрицею може значно підвищити міцність і ударну в’язкість матеріалів, знизити температуру їх спікання та, таким чином, знизити витрати на виробництво. Основний механізм його дії полягає в наступному.

① Як спікаюча добавка, він може сприяти спіканню та зменшувати пористість композитних матеріалів. Додавання спікаючих добавок покликане генерувати рідку фазу при високих температурах, знижувати температуру спікання композитних матеріалів, пригнічувати високотемпературне розкладання матеріалів під час процесу спікання та отримувати щільні композитні матеріали шляхом рідкофазного спікання. Завдяки високій стабільності, слабкій високотемпературній леткості та високим температурам плавлення та кипіння рідкоземельних оксидів вони можуть утворювати скляні фази з іншою сировиною та сприяти спіканню, що робить їх ефективною добавкою. У той же час рідкоземельний оксид може також утворювати твердий розчин з керамічною матрицею, який може генерувати кристалічні дефекти всередині, активувати решітку та сприяти спіканню.

② Покращення мікроструктури та зменшення розміру зерна. Через те, що додані рідкоземельні оксиди в основному існують на границях зерен матриці, а також завдяки своєму великому об’єму, рідкоземельні оксиди мають високу стійкість до міграції в структурі, а також перешкоджають міграції інших іонів, тим самим зменшуючи швидкість міграції меж зерен, що пригнічує ріст зерен і перешкоджає аномальному росту зерен під час високотемпературного спікання. Вони можуть отримувати дрібні і однорідні зерна, що сприяє утворенню щільних структур; З іншого боку, шляхом допування рідкоземельних оксидів вони входять у межзеренну скляну фазу, підвищуючи міцність скляної фази і таким чином досягаючи мети покращення механічних властивостей матеріалу.

Рідкоземельні елементи в полімерно-матричних композитах переважно впливають на них, покращуючи властивості полімерної матриці. Рідкоземельні оксиди можуть підвищувати температуру термічного розкладання полімерів, тоді як рідкоземельні карбоксилати можуть покращувати термічну стабільність полівінілхлориду. Допування полістиролу рідкоземельними сполуками може покращити стабільність полістиролу та значно підвищити його ударну міцність і міцність на вигин.