ЗастосуванняРідкісна земляу композитних матеріалах
Рідкісноземельні елементи мають унікальну 4f-електронну структуру, великий атомний магнітний момент, сильну спінову зв'язок та інші характеристики. При утворенні комплексів з іншими елементами їх координаційне число може коливатися від 6 до 12. Рідкісноземельні сполуки мають різноманітні кристалічні структури. Особливі фізичні та хімічні властивості рідкісноземельних елементів роблять їх широко використовуваними у виплавці високоякісної сталі та кольорових металів, спеціального скла та високоефективної кераміки, матеріалів для постійних магнітів, матеріалів для зберігання водню, люмінесцентних та лазерних матеріалів, ядерних матеріалів та інших галузях. З постійним розвитком композитних матеріалів застосування рідкісноземельних елементів також розширилося на галузь композитних матеріалів, привертаючи широку увагу до покращення властивостей інтерфейсу між гетерогенними матеріалами.
Основні форми застосування рідкоземельних елементів у виробництві композитних матеріалів включають: ① додаваннярідкісноземельні металидо композитних матеріалів; ② Додати у виглядіоксиди рідкоземельних металівдо композитного матеріалу; ③ Полімери, леговані або зв'язані рідкісноземельними металами, використовуються як матричні матеріали в композитних матеріалах. Серед трьох вищезазначених форм застосування рідкісноземельних металів перші дві форми переважно додаються до металевих матричних композитів, тоді як третя – до полімерних матричних композитів, а керамічні матричні композити – додаються переважно до другої форми.
Рідкісноземельніпереважно діє на металеві матриці та керамічні матриці композитів у вигляді добавок, стабілізаторів та спікаючих добавок, значно покращуючи їхню експлуатаційну здатність, знижуючи виробничі витрати та роблячи можливим його промислове застосування.
Додавання рідкоземельних елементів як добавок до композитних матеріалів головним чином відіграє роль у покращенні характеристик міжфазної поверхні композитних матеріалів та сприянні подрібненню зерен металевої матриці. Механізм дії полягає в наступному.
① Покращення змочуваності між металевою матрицею та армуючою фазою. Електронегативність рідкоземельних елементів відносно низька (чим менша електронегативність металів, тим активніша електронегативність неметалів). Наприклад, La становить 1,1, Ce – 1,12, а Y – 1,22. Електронегативність звичайного базового металу Fe становить 1,83, Ni – 1,91, а Al – 1,61. Тому рідкоземельні елементи переважно адсорбуються на межах зерен металевої матриці та армуючої фази під час процесу плавлення, зменшуючи енергію їхнього розділу, збільшуючи роботу адгезії на розділі, зменшуючи кут змочування та тим самим покращуючи змочуваність між матрицею та армуючою фазою. Дослідження показали, що додавання елемента La до алюмінієвої матриці ефективно покращує змочуваність Al₂O₃ та рідкого алюмінію, а також покращує мікроструктуру композитних матеріалів.
② Сприяння подрібненню зерен металевої матриці. Розчинність рідкоземельних елементів у кристалах металу невелика, оскільки атомний радіус рідкоземельних елементів великий, а атомний радіус металевої матриці відносно малий. Вступ рідкоземельних елементів з більшим радіусом у матричну решітку призведе до спотворення решітки, що збільшить енергію системи. Щоб підтримувати найнижчу вільну енергію, атоми рідкоземельних елементів можуть збагачуватися лише в напрямку нерегулярних меж зерен, що певною мірою перешкоджає вільному росту зерен матриці. Водночас збагачені рідкоземельні елементи також адсорбують інші елементи сплаву, збільшуючи градієнт концентрації елементів сплаву, спричиняючи локальне переохолодження компонентів та посилюючи ефект гетерогенного зародження рідких металевих частинок. Крім того, переохолодження, спричинене елементарною сегрегацією, також може сприяти утворенню сегрегованих сполук та перетворюватися на ефективні гетерогенні частинки зародження, тим самим сприяючи подрібненню зерен металевої матриці.
③ Очищення меж зерен. Через сильну спорідненість між рідкоземельними елементами та такими елементами, як O, S, P, N тощо, стандартна вільна енергія утворення оксидів, сульфідів, фосфідів та нітридів є низькою. Ці сполуки мають високу температуру плавлення та низьку щільність, деякі з яких можна видалити спливанням з рідини сплаву, тоді як інші рівномірно розподіляються всередині зерна, зменшуючи сегрегацію домішок на межі зерен, тим самим очищуючи межу зерен та підвищуючи її міцність.
Слід зазначити, що через високу активність та низьку температуру плавлення рідкоземельних металів, коли вони додаються до композиту з металоматрицею, їх контакт з киснем необхідно спеціально контролювати під час процесу додавання.
Велика кількість практик довела, що додавання оксидів рідкоземельних елементів як стабілізаторів, допоміжних речовин для спікання та легуючих модифікаторів до різних металевих матриць та керамічних композитів може значно покращити міцність та в'язкість матеріалів, знизити температуру їх спікання та таким чином зменшити виробничі витрати. Основний механізм його дії полягає в наступному.
① Як добавка для спікання, він може сприяти спіканню та зменшувати пористість композитних матеріалів. Додавання добавок для спікання дозволяє створити рідку фазу за високих температур, знизити температуру спікання композитних матеріалів, пригнічувати високотемпературне розкладання матеріалів під час процесу спікання та отримати щільні композитні матеріали шляхом рідкофазного спікання. Завдяки високій стабільності, низькій летючості за високих температур та високим температурам плавлення та кипіння оксидів рідкоземельних елементів, вони можуть утворювати склоподібні фази з іншими сировинними матеріалами та сприяти спіканню, що робить їх ефективною добавкою. Водночас оксиди рідкоземельних елементів також можуть утворювати твердий розчин з керамічною матрицею, що може створювати кристалічні дефекти всередині, активувати кристалічну решітку та сприяти спіканню.
② Покращення мікроструктури та уточнення розміру зерна. Через те, що додані оксиди рідкісноземельних елементів переважно присутні на межах зерен матриці, та через їх великий об'єм, оксиди рідкісноземельних елементів мають високий опір міграції в структурі, а також перешкоджають міграції інших іонів, тим самим знижуючи швидкість міграції меж зерен, пригнічуючи ріст зерен та перешкоджаючи аномальному росту зерен під час високотемпературного спікання. Вони можуть отримувати дрібні та однорідні зерна, що сприяє утворенню щільних структур; З іншого боку, легування оксидами рідкісноземельних елементів дозволяє їм вводити склофазу на межі зерен, покращуючи міцність склофази та таким чином досягаючи мети покращення механічних властивостей матеріалу.
Рідкоземельні елементи в полімерних матричних композитах впливають переважно на них, покращуючи властивості полімерної матриці. Оксиди рідкісноземельних елементів можуть підвищувати температуру термічного розкладання полімерів, тоді як карбоксилати рідкісноземельних елементів можуть покращувати термічну стабільність полівінілхлориду. Легування полістиролу рідкісноземельними сполуками може покращити стабільність полістиролу та значно збільшити його ударну в'язкість та міцність на вигин.
Час публікації: 26 квітня 2023 р.