Приложение наРедкоземнив композитни материали
Редкоземните елементи имат уникална 4f електронна структура, голям атомен магнитен момент, силно спиново свързване и други характеристики. При образуване на комплекси с други елементи тяхното координационно число може да варира от 6 до 12. Редкоземните съединения имат разнообразна кристална структура. Специалните физични и химични свойства на редкоземните елементи ги правят широко използвани при топенето на висококачествена стомана и цветни метали, специално стъкло и високопроизводителна керамика, материали с постоянен магнит, материали за съхранение на водород, луминесцентни и лазерни материали, ядрени материали , и други полета. С непрекъснатото развитие на композитните материали, приложението на редкоземните елементи също се разшири в областта на композитните материали, привличайки широко внимание в подобряването на свойствата на интерфейса между хетерогенни материали.
Основните форми на приложение на редкоземни елементи при получаването на композитни материали включват: ① добавянередкоземни металикъм композитни материали; ② Добавяне под формата наредкоземни оксидикъм композитния материал; ③ Полимери, легирани или свързани с редкоземни метали в полимери, се използват като матрични материали в композитни материали. Сред горните три форми на приложение на редкоземни елементи, първите две форми се добавят най-вече към композит с метална матрица, докато третата се прилага главно към композити с полимерна матрица, а композитът с керамична матрица се добавя главно във втората форма.
Редкоземнидейства главно върху метална матрица и керамичен матричен композит под формата на добавки, стабилизатори и добавки за синтероване, като значително подобрява тяхната производителност, намалява производствените разходи и прави възможно промишленото му приложение.
Добавянето на редкоземни елементи като добавки в композитните материали играе роля главно за подобряване на характеристиките на интерфейса на композитните материали и насърчаване на усъвършенстването на зърната на металната матрица. Механизмът на действие е следният.
① Подобрете омокряемостта между металната матрица и усилващата 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 и Y е 1,22. Електроотрицателността на обикновения неблагороден метал Fe е 1,83, Ni е 1,91 и Al е 1,61. Следователно, редкоземните елементи ще се адсорбират за предпочитане върху границите на зърната на металната матрица и фазата на подсилване по време на процеса на топене, намалявайки тяхната интерфейсна енергия, увеличавайки адхезионната работа на интерфейса, намалявайки ъгъла на намокряне и по този начин подобрявайки омокряемостта между матрицата и фаза на укрепване. Изследванията показват, че добавянето на елемент La към алуминиевата матрица ефективно подобрява омокряемостта на AlO и алуминиевата течност и подобрява микроструктурата на композитните материали.
② Насърчаване на усъвършенстването на зърната на металната матрица. Разтворимостта на редката земя в метален кристал е малка, тъй като атомният радиус на редкоземните елементи е голям, а атомният радиус на металната матрица е сравнително малък. Навлизането на редкоземни елементи с по-голям радиус в решетката на матрицата ще предизвика изкривяване на решетката, което ще увеличи енергията на системата. За да поддържат най-ниската свободна енергия, редкоземните атоми могат да 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 сплавни елементи, увеличавайки концентрационния градиент на сплавните елементи, причинявайки локално преохлаждане на компонентите и засилвайки ефекта на хетерогенно зародишно образуване на течната метална матрица. В допълнение, преохлаждането, причинено от елементарна сегрегация, може също да насърчи образуването на сегрегирани съединения и да се превърнат в ефективни хетерогенни нуклеационни частици, като по този начин насърчават усъвършенстването на зърната на металната матрица.
③ Почистете границите на зърната. Поради силния афинитет между редкоземни 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 зърното, като по този начин пречистват границата на зърното и подобряване на здравината му.
Трябва да се отбележи, че поради високата активност и ниската точка на топене на редкоземните метали, когато се добавят към композита с метална матрица, техният контакт с кислород 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 допинг модификатори към различни композитни материали с метална матрица и керамична матрица може значително да подобри здравината и издръжливостта на материалите, да намали тяхната температура на синтероване и по този начин да намали производствените разходи. Основният механизъм на неговото действие е следният.
① Като добавка за синтероване, тя може да насърчи синтероването и да намали порьозността в композитните материали. Добавянето на добавки за синтероване е за генериране на течна фаза при високи температури, намаляване на температурата на синтероване на композитни материали, инхибиране на високотемпературното разлагане на материалите по време на процеса на синтероване и получаване на плътни композитни материали чрез синтероване в течна фаза. Поради високата стабилност, слабата летливост при висока температура и високите точки на топене и кипене на редкоземните оксиди, те могат да образуват стъклени фази с други суровини и да насърчават синтероването, което ги прави ефективна добавка. В същото време редкоземният оксид може също да образува твърд разтвор с керамичната матрица, което може да генерира кристални дефекти вътре, да активира решетката и да насърчи синтероването.
② Подобрете микроструктурата и прецизирайте размера на зърната. Поради факта, че добавените редкоземни оксиди съществуват главно по границите на зърната на матрицата и поради големия си обем, редкоземните оксиди имат висока устойчивост на миграция в структурата и също възпрепятстват миграцията на други йони, като по този начин намаляват скорост на миграция на границите на зърната, инхибиране на растежа на зърната и възпрепятстване на необичайния растеж на зърната по време на синтероване при висока температура. Те могат да получат малки и еднакви зърна, което благоприятства образуването на плътни структури; От друга страна, чрез допиране на редкоземни оксиди, те навлизат в стъклената фаза на границата на зърното, подобрявайки здравината на стъклената фаза и по този начин постигайки целта за подобряване на механичните свойства на материала.
Редкоземните елементи в композитите с полимерна матрица ги засягат главно 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. Допирането на полистирола с редкоземни съединения може да подобри стабилността на полистирола и значително да увеличи неговата якост на удар и якост на огъване.
Време на публикуване: 26 април 2023 г