Який вплив мають оксиди рідкоземельних елементів на керамічні покриття?

Кераміка, металеві матеріали та полімерні матеріали належать до трьох основних твердих матеріалів. Кераміка має багато чудових властивостей, таких як стійкість до високих температур, корозійна стійкість, зносостійкість тощо, оскільки атомний зв'язок у кераміці є іонним, ковалентним або змішаним іонно-ковалентним зв'язком з високою енергією зв'язку. Керамічне покриття може змінити зовнішній вигляд, структуру та характеристики зовнішньої поверхні підкладки. Композит покриття-підкладка є кращим завдяки своїм новим характеристикам. Він може органічно поєднувати оригінальні характеристики підкладки з характеристиками стійкості до високих температур, високої зносостійкості та високої корозійної стійкості керамічних матеріалів, а також повною мірою використовувати комплексні переваги двох видів матеріалів, тому його широко використовують в аерокосмічній, авіаційній, оборонній, хімічній та інших галузях промисловості.

Рідкоземельні елементи називають «скарбницею» нових матеріалів завдяки їхній унікальній 4f-електронній структурі та фізичним і хімічним властивостям. Однак чисті рідкісноземельні метали рідко використовуються безпосередньо в дослідженнях, і здебільшого використовуються рідкісноземельні сполуки. Найпоширенішими сполуками є CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS та рідкісноземельний феросиліцій. Ці рідкісноземельні сполуки можуть покращувати структуру та властивості керамічних матеріалів і керамічних покриттів.

Застосування оксидів рідкоземельних елементів у керамічних матеріалах

Додавання рідкоземельних елементів як стабілізаторів та спікаючих добавок до різних керамічних виробів може знизити температуру спікання, покращити міцність та в'язкість деяких конструкційних керамічних виробів, а отже, знизити виробничі витрати. Водночас рідкоземельні елементи також відіграють дуже важливу роль у напівпровідникових газових сенсорах, мікрохвильових середовищах, п'єзоелектричній кераміці та інших функціональних керамічних виробах. Дослідження показало, що додавання двох або більше оксидів рідкоземельних елементів до оксидної кераміки разом краще, ніж додавання одного оксиду рідкоземельних елементів до оксидної кераміки. Після оптимізаційного тесту найкращий ефект спостерігається у вигляді Y2O3+CeO2. При додаванні 0,2%Y2O3+0,2%CeO2 при 1490℃ відносна густина спечених зразків може досягати 96,2%, що перевищує густину зразків з будь-яким оксидом рідкоземельних елементів Y2O3 або CeO2 окремо.

Вплив La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 на спікання кращий, ніж додавання лише La2O3, і зносостійкість явно покращується. Це також показує, що змішування двох оксидів рідкоземельних елементів не є простим додаванням, а між ними відбувається взаємодія, що є більш корисним для спікання та покращення характеристик глиноземної кераміки, але принцип цього ще потребує вивчення.

Крім того, було виявлено, що додавання змішаних оксидів рідкоземельних металів як спікаючих допоміжних речовин може покращити міграцію матеріалів, сприяти спіканню MgO кераміки та покращити щільність. Однак, коли вміст змішаного оксиду металу перевищує 15%, відносна щільність зменшується, а відкрита пористість збільшується.

По-друге, вплив оксидів рідкоземельних елементів на властивості керамічних покриттів

Існуючі дослідження показують, що рідкоземельні елементи можуть зменшувати розмір зерен, збільшувати щільність, покращувати мікроструктуру та очищувати межу розділу. Це відіграє унікальну роль у підвищенні міцності, в'язкості, твердості, зносостійкості та корозійної стійкості керамічних покриттів, що певною мірою покращує їх експлуатаційні характеристики та розширює діапазон їх застосування.

1

Покращення механічних властивостей керамічних покриттів оксидами рідкісноземельних матеріалів

Оксиди рідкісноземельних елементів можуть значно покращити твердість, міцність на вигин та міцність зчеплення на розтяг керамічних покриттів. Експериментальні результати показують, що міцність зчеплення покриття на розтяг може бути ефективно покращена шляхом використання Lao_2 як добавки в матеріалі Al2O3 + 3% TiO_2, а міцність зчеплення на розтяг може досягати 27,36 МПа при кількості Lao_2 6,0%. Додавання CeO2 з масовою часткою 3,0% та 6,0% до матеріалу Cr2O3, міцність зчеплення покриття на розтяг становить від 18 до 25 МПа, що більше, ніж початкові 12-16 МПа. Однак, коли вміст CeO2 становить 9,0%, міцність зчеплення на розтяг знижується до 12-15 МПа.

2

Покращення термостійкості керамічного покриття з рідкісноземельних матеріалів

Випробування на термостійкість є важливим тестом для якісного відображення міцності зчеплення між покриттям та підкладкою та відповідності коефіцієнта теплового розширення між покриттям та підкладкою. Воно безпосередньо відображає здатність покриття протистояти відшаровуванню при зміні температури під час використання, а також відображає здатність покриття протистояти механічній ударній втомі та здатність до зчеплення з підкладкою збоку. Тому це також ключовий фактор для оцінки якості керамічного покриття.

Дослідження показують, що додавання 3,0% CeO2 може зменшити пористість та розмір пор у покритті, а також зменшити концентрацію напружень на краях пор, тим самим покращуючи термостійкість покриття Cr2O3. Однак пористість керамічного покриття Al2O3 зменшилася, а міцність зчеплення та термостійкість покриття помітно збільшилися після додавання LaO2. Коли кількість доданого LaO2 становить 6% (масова частка), термостійкість покриття є найкращою, а термостійкість може досягати 218 разів, тоді як термостійкість покриття без LaO2 становить лише 163 рази.

3

Оксиди рідкісноземельних елементів впливають на зносостійкість покриттів

Оксиди рідкоземельних елементів, що використовуються для покращення зносостійкості керамічних покриттів, переважно є CeO2 та La2O3. Їхня гексагональна шарувата структура може демонструвати хорошу змащувальну функцію та підтримувати стабільні хімічні властивості за високої температури, що може ефективно покращити зносостійкість та зменшити коефіцієнт тертя.

Дослідження показують, що коефіцієнт тертя покриття з належною кількістю CeO2 є малим та стабільним. Повідомлялося, що додавання La2O3 до плазмово-напиленого нікелевого керметного покриття може, очевидно, зменшити знос від тертя та коефіцієнт тертя покриття, причому коефіцієнт тертя стабільний з незначними коливаннями. Зношена поверхня плакирувального шару без рідкісноземельних елементів демонструє значну адгезію, крихке руйнування та відшарування. Однак покриття, що містить рідкісноземельні елементи, демонструє слабку адгезію до зношеної поверхні, і немає ознак крихкого відшарування на великій площині. Мікроструктура покриття, легованого рідкісноземельними елементами, щільніша та компактніша, а пори зменшуються, що зменшує середню силу тертя, що переноситься мікроскопічними частинками, та зменшує тертя та знос. Легування рідкісноземельними елементами також може збільшити відстань від кристалічної площини керметів. Це призводить до зміни сили взаємодії між двома гранями кристалів та зменшує коефіцієнт тертя.

Короткий зміст:

Хоча оксиди рідкоземельних елементів досягли значних успіхів у застосуванні керамічних матеріалів та покриттів, що дозволяє ефективно покращити мікроструктуру та механічні властивості керамічних матеріалів та покриттів, все ще існує багато невідомих властивостей, особливо у зменшенні тертя та зносу. Те, як поєднати міцність та зносостійкість матеріалів з їхніми мастильними властивостями, стало важливим напрямком, гідним обговорення в галузі трибології.

Тел.: +86-21-20970332Електронна пошта：info@shxlchem.com