Приложение наРядка земяв композитните материали
Редкоземните елементи имат уникална 4f електронна структура, голям атомен магнитен момент, силно спиново свързване и други характеристики. Когато образуват комплекси с други елементи, координационното им число може да варира от 6 до 12. Редкоземните съединения имат разнообразни кристални структури. Специалните физични и химични свойства на редкоземните елементи ги правят широко използвани в топенето на висококачествена стомана и цветни метали, специално стъкло и високоефективна керамика, материали за постоянни магнити, материали за съхранение на водород, луминесцентни и лазерни материали, ядрени материали и други области. С непрекъснатото развитие на композитните материали, приложението на редкоземните елементи се разшири и в областта на композитните материали, привличайки широко внимание към подобряването на свойствата на интерфейса между хетерогенни материали.
Основните форми на приложение на редкоземните елементи при приготвянето на композитни материали включват: ① добавянередкоземни металикъм композитни материали; ② Добавете под формата наредкоземни оксидикъм композитния материал; ③ Полимери, легирани или свързани с редкоземни метали, се използват като матрични материали в композитните материали. Сред горните три форми на приложение на редкоземни метали, първите две форми се добавят най-вече към металоматрични композити, докато третата се прилага главно към полимерни матрични композити, а керамичните матрични композити се добавят главно във втората форма.
Рядкоземнидейства главно върху метални матрици и керамични матрични композити под формата на добавки, стабилизатори и добавки за синтероване, като значително подобрява техните характеристики, намалява производствените разходи и прави възможно промишленото им приложение.
Добавянето на редкоземни елементи като добавки в композитните материали играе основна роля за подобряване на интерфейсните характеристики на композитните материали и насърчаване на рафинирането на зърната на металната матрица. Механизмът на действие е следният.
① Подобряване на омокряемостта между металната матрица и армиращата фаза. Електроотрицателността на редкоземните елементи е относително ниска (колкото по-малка е електроотрицателността на металите, толкова по-активна е електроотрицателността на неметалите). Например, La е 1,1, Ce е 1,12, а Y е 1,22. Електроотрицателността на обикновения основен метал Fe е 1,83, Ni е 1,91, а Al е 1,61. Следователно, редкоземните елементи ще се адсорбират преференциално върху границите на зърната на металната матрица и армиращата фаза по време на процеса на топене, намалявайки енергията на интерфейса им, увеличавайки адхезионната работа на интерфейса, намалявайки ъгъла на омокряне и по този начин подобрявайки омокряемостта между матрицата и армиращата фаза. Изследванията показват, че добавянето на елемент La към алуминиевата матрица ефективно подобрява омокряемостта на Al₂O₃ и алуминиевата течност и подобрява микроструктурата на композитните материали.
② Насърчаване на рафинирането на металните матрични зърна. Разтворимостта на редкоземните елементи в металните кристали е малка, тъй като атомният радиус на редкоземните елементи е голям, а атомният радиус на металната матрица е относително малък. Навлизането на редкоземни елементи с по-голям радиус в матричната решетка ще доведе до изкривяване на решетката, което ще увеличи енергията на системата. За да се поддържа най-ниската свободна енергия, атомите на редкоземните елементи могат да се обогатяват само към неправилни граници на зърната, което до известна степен възпрепятства свободния растеж на матричните зърна. В същото време, обогатените редкоземни елементи ще адсорбират и други легиращи елементи, увеличавайки концентрационния градиент на легиращите елементи, причинявайки локално преохлаждане на компонентите и засилвайки хетерогенния нуклеационен ефект на течната метална матрица. Освен това, преохлаждането, причинено от елементарната сегрегация, може също да насърчи образуването на сегрегирани съединения и да се превърне в ефективни хетерогенни нуклеационни частици, като по този начин насърчи рафинирането на металните матрични зърна.
③ Пречистване на границите на зърната. Поради силния афинитет между редкоземните елементи и елементи като O, S, P, N и др., стандартната свободна енергия на образуване на оксиди, сулфиди, фосфиди и нитриди е ниска. Тези съединения имат висока точка на топене и ниска плътност, някои от които могат да бъдат отстранени чрез изплуване от течността на сплавта, докато други са равномерно разпределени в зърното, намалявайки сегрегацията на примеси по границата на зърната, като по този начин пречистват границата на зърната и подобряват нейната здравина.
Трябва да се отбележи, че поради високата активност и ниската точка на топене на редкоземните метали, когато те се добавят към метално-матричен композит, контактът им с кислорода трябва да бъде специално контролиран по време на процеса на добавяне.
Голям брой практики са доказали, че добавянето на редкоземни оксиди като стабилизатори, помощни средства за синтероване и модификатори на легиране към различни метални матрици и керамични композити може значително да подобри здравината и жилавостта на материалите, да намали температурата им на синтероване и по този начин да намали производствените разходи. Основният механизъм на действието му е следният.
① Като добавка за синтероване, може да насърчи синтероването и да намали порьозността на композитните материали. Добавянето на добавки за синтероване има за цел да генерира течна фаза при високи температури, да намали температурата на синтероване на композитните материали, да инхибира високотемпературното разлагане на материалите по време на процеса на синтероване и да получи плътни композитни материали чрез синтероване в течна фаза. Поради високата си стабилност, слабата летливост при високи температури и високите точки на топене и кипене, редкоземните оксиди могат да образуват стъклени фази с други суровини и да насърчат синтероването, което ги прави ефективна добавка. В същото време, редкоземните оксиди могат да образуват и твърд разтвор с керамичната матрица, което може да генерира кристални дефекти вътре, да активира решетката и да насърчи синтероването.
② Подобряване на микроструктурата и прецизиране на размера на зърната. Поради факта, че добавените редкоземни оксиди се намират главно по границите на зърната на матрицата и поради големия си обем, редкоземните оксиди имат висока устойчивост на миграция в структурата, а също така възпрепятстват миграцията на други йони, като по този начин намаляват скоростта на миграция на границите на зърната, инхибират растежа на зърната и възпрепятстват анормалния растеж на зърната по време на високотемпературно синтероване. Те могат да получат малки и равномерни зърна, което е благоприятно за образуването на плътни структури; От друга страна, чрез легиране на редкоземни оксиди, те навлизат в стъклената фаза на границите на зърната, подобрявайки здравината на стъклената фаза и по този начин постигайки целта за подобряване на механичните свойства на материала.
Редкоземните елементи в полимерните матрични композити влияят главно върху тях чрез подобряване на свойствата на полимерната матрица. Редкоземните оксиди могат да повишат температурата на термично разлагане на полимерите, докато редкоземните карбоксилати могат да подобрят термичната стабилност на поливинилхлорида. Легирането на полистирол с редкоземни съединения може да подобри стабилността на полистирола и значително да увеличи неговата ударна якост и якост на огъване.
Време на публикуване: 26 април 2023 г.