Anvendelse avSjeldne jordarteri komposittmaterialer
Sjeldne jordartsmetaller har en unik 4f elektronisk struktur, stort atommagnetisk moment, sterk spinnkobling og andre egenskaper. Når de danner komplekser med andre elementer, kan koordinasjonstallet deres variere fra 6 til 12. Sjeldne jordartsforbindelser har en rekke krystallstrukturer. De spesielle fysiske og kjemiske egenskapene til sjeldne jordartsmetaller gjør dem mye brukt i smelting av høykvalitetsstål og ikke-jernholdige metaller, spesialglass og høypresterende keramikk, permanentmagnetmaterialer, hydrogenlagringsmaterialer, luminescerende og lasermaterialer, kjernefysiske materialer og andre felt. Med den kontinuerlige utviklingen av komposittmaterialer har bruken av sjeldne jordartsmetaller også utvidet seg til feltet komposittmaterialer, noe som har fått bred oppmerksomhet for å forbedre grensesnittegenskapene mellom heterogene materialer.
De viktigste bruksformene for sjeldne jordarter i fremstillingen av komposittmaterialer inkluderer: ① tilsetningsjeldne jordmetallertil komposittmaterialer; ② Tilsett i form avsjeldne jordartsoksidertil komposittmaterialet; ③ Polymerer dopet eller bundet med sjeldne jordmetaller i polymerer brukes som matriksmaterialer i komposittmaterialer. Blant de tre ovennevnte formene for sjeldne jordartsmetaller, tilsettes de to første formene hovedsakelig til metallmatrisekompositt, mens den tredje hovedsakelig brukes til polymermatrisekompositter, og den keramiske matrisekompositten tilsettes hovedsakelig i den andre formen.
Sjeldne jordartervirker hovedsakelig på metallmatrise og keramisk matrisekompositt i form av tilsetningsstoffer, stabilisatorer og sintringstilsetninger, noe som forbedrer ytelsen betraktelig, reduserer produksjonskostnadene og muliggjør industriell anvendelse.
Tilsetning av sjeldne jordartsmetaller som tilsetningsstoffer i komposittmaterialer spiller hovedsakelig en rolle i å forbedre grensesnittytelsen til komposittmaterialer og fremme raffineringen av metallmatrisekorn. Virkningsmekanismen er som følger.
① Forbedre fuktbarheten mellom metallmatrisen og forsterkningfasen. Elektronegativiteten til sjeldne jordartsmetaller er relativt lav (jo mindre elektronegativiteten til metaller, desto mer aktiv er elektronegativiteten til ikke-metaller). For eksempel er La 1,1, Ce 1,12 og Y 1,22. Elektronegativiteten til det vanlige basismetallet Fe er 1,83, Ni 1,91 og Al 1,61. Derfor vil sjeldne jordartsmetaller fortrinnsvis adsorbere på korngrensene til metallmatrisen og forsterkningfasen under smelteprosessen, noe som reduserer grensesnittenergien deres, øker grensesnittets adhesjonsarbeid, reduserer fuktingsvinkelen og dermed forbedrer fuktbarheten mellom matrisen og forsterkningfasen. Forskning har vist at tilsetning av La-elementet til aluminiummatrisen effektivt forbedrer fuktbarheten til AlO og aluminiumvæske, og forbedrer mikrostrukturen til komposittmaterialer.
② Fremmer raffinering av metallmatrisekorn. Løseligheten til sjeldne jordarter i metallkrystaller er liten, fordi atomradiusen til sjeldne jordartselementer er stor, og atomradiusen til metallmatrisen er relativt liten. Inntrengning av sjeldne jordartselementer med større radius i matrisegitteret vil forårsake gitterforvrengning, noe som vil øke systemenergien. For å opprettholde den laveste frie energien kan sjeldne jordartsatomer bare anrikes mot uregelmessige korngrenser, noe som til en viss grad hindrer den frie veksten av matrisekorn. Samtidig vil de anrikede sjeldne jordartselementene også adsorbere andre legeringselementer, noe som øker konsentrasjonsgradienten til legeringselementene, forårsaker lokal underkjøling av komponentene og forsterker den heterogene kimdannelseseffekten av den flytende metallmatrisen. I tillegg kan underkjøling forårsaket av elementsegregering også fremme dannelsen av segregerte forbindelser og bli effektive heterogene kimdannelsespartikler, og dermed fremme raffinering av metallmatrisekornene.
③ Rens korngrensene. På grunn av den sterke affiniteten mellom sjeldne jordartsmetaller og elementer som O, S, P, N, osv., er standard fri energi for dannelse av oksider, sulfider, fosfider og nitrider lav. Disse forbindelsene har et høyt smeltepunkt og lav tetthet, hvorav noen kan fjernes ved å flyte opp fra legeringsvæsken, mens andre er jevnt fordelt i kornet, noe som reduserer segregeringen av urenheter ved korngrensen, og dermed renser korngrensen og forbedrer dens styrke.
Det skal bemerkes at på grunn av den høye aktiviteten og det lave smeltepunktet til sjeldne jordartsmetaller, må deres kontakt med oksygen kontrolleres spesielt under tilsetningsprosessen når de tilsettes metallmatrisekompositt.
Et stort antall praksiser har vist at tilsetning av sjeldne jordartsoksider som stabilisatorer, sintringshjelpemidler og dopingmodifikatorer til forskjellige metallmatriser og keramiske matrisekompositter kan forbedre materialenes styrke og seighet betraktelig, redusere sintringstemperaturen og dermed redusere produksjonskostnadene. Hovedmekanismen for virkningen er som følger.
① Som sintringsadditiv kan det fremme sintring og redusere porøsitet i komposittmaterialer. Tilsetning av sintringsadditiver har som formål å generere en flytende fase ved høye temperaturer, redusere sintringstemperaturen til komposittmaterialer, hemme høytemperaturnedbrytning av materialer under sintringsprosessen, og oppnå tette komposittmaterialer gjennom flytende fasesintring. På grunn av den høye stabiliteten, den svake høytemperaturflyktigheten og det høye smelte- og kokepunktet til sjeldne jordartsoksider, kan de danne glassfaser med andre råmaterialer og fremme sintring, noe som gjør dem til et effektivt additiv. Samtidig kan sjeldne jordartsoksider også danne fast løsning med den keramiske matrisen, noe som kan generere krystalldefekter inni, aktivere gitteret og fremme sintring.
② Forbedre mikrostrukturen og finjustere kornstørrelsen. Fordi de tilsatte sjeldne jordartsoksidene hovedsakelig finnes ved korngrensene til matrisen, og på grunn av deres store volum, har sjeldne jordartsoksider høy migrasjonsmotstand i strukturen, og hindrer også migrasjonen av andre ioner, og reduserer dermed migrasjonshastigheten til korngrensene, hemmer kornvekst og hindrer unormal kornvekst under høytemperatursintring. De kan oppnå små og ensartede korn, noe som bidrar til dannelsen av tette strukturer. På den annen side, ved å dope sjeldne jordartsoksider, går de inn i korngrenseglassfasen, noe som forbedrer glassfasens styrke og dermed oppnår målet om å forbedre materialets mekaniske egenskaper.
Sjeldne jordartsmetaller i polymermatrisekompositter påvirker dem hovedsakelig ved å forbedre egenskapene til polymermatrisen. Oksyder av sjeldne jordartsmetaller kan øke den termiske dekomponeringstemperaturen til polymerer, mens karboksylsyrer av sjeldne jordartsmetaller kan forbedre den termiske stabiliteten til polyvinylklorid. Doping av polystyren med sjeldne jordartsmetallforbindelser kan forbedre stabiliteten til polystyren og øke slagfastheten og bøyestyrken betydelig.
Publisert: 26. april 2023