Anvendelse av sjelden jord i sammensatte materialer

Bruk avSjelden jordi sammensatte materialer
Sjeldne jordelementer har unik 4F elektronisk struktur, stort atom magnetisk moment, sterk spinnkobling og andre egenskaper. Når du danner komplekser med andre elementer, kan koordinasjonsnummeret variere fra 6 til 12. Sjeldne jordforbindelser har en rekke krystallstrukturer. De spesielle fysiske og kjemiske egenskapene til sjeldne jordarter gjør dem mye brukt i smelte av stål av høy kvalitet og ikke-jernholdige metaller, spesielle glass og høyytelses keramikk, permanente magnetmaterialer, hydrogenlagringsmaterialer, selvlysende og lasermaterialer, kjernefysiske materialer og andre felt. Med kontinuerlig utvikling av komposittmaterialer har anvendelsen av sjeldne jordarter også utvidet seg til feltet sammensatt materialer, og vekket bred oppmerksomhet i å forbedre grensesnittegenskapene mellom heterogene materialer.

De viktigste applikasjonsformene for sjelden jord ved fremstilling av sammensatte materialer inkluderer: ① Legg tilSjeldne jordmetallertil sammensatte materialer; ② legg til i form avSjeldne jordoksidertil det sammensatte materialet; ③ Polymerer dopet eller bundet med sjeldne jordmetaller i polymerer brukes som matriksmaterialer i sammensatte materialer. Blant de ovennevnte tre former for sjelden jordpåføring, blir de to første formene for det meste lagt til metallmatrikskompositt, mens den tredje hovedsakelig brukes på polymermatrikskompositter, og den keramiske matrikskomposittet tilsettes hovedsakelig i den andre formen.

Sjelden jordHovedsakelig virker på metallmatrise og keramisk matrikskompositt i form av tilsetningsstoffer, stabilisatorer og sintringsadditiver, forbedrer ytelsen, reduserer produksjonskostnadene og gjør dens industrielle anvendelse mulig.

Tilsetningen av sjeldne jordelementer som tilsetningsstoffer i sammensatte materialer spiller hovedsakelig en rolle i å forbedre grensesnittytelsen til sammensatte materialer og fremme foredling av metallmatrikskorn. Handlingsmekanismen er som følger.

① Forbedre fuktbarheten mellom metallmatrisen og forsterkende fasen. Elektronegativiteten til sjeldne jordelementer er relativt lav (jo mindre elektronegativitet av metaller, desto mer aktiv elektronegativiteten til ikke -metaller). For eksempel er LA 1,1, CE er 1,12, og Y er 1,22. Elektronegativiteten til vanlig base metall Fe er 1,83, Ni er 1,91, og Al er 1,61. Derfor vil sjeldne jordelementer fortrinnsvis adsorbere på korngrensene til metallmatrisen og forsterkningsfasen under smelteprosessen, redusere grensesnittenergien, øke vedheftingsarbeidet til grensesnittet, redusere fuktingsvinkelen og derved forbedre fuktbarheten mellom matrisen og forsterkningsfasen. Forskning har vist at tilsetningen av LA -elementet til aluminiumsmatrisen forbedrer fuktbarheten til alo og aluminiumsvæske effektivt, og forbedrer mikrostrukturen til komposittmaterialer.

② Fremme foredling av metallmatrikskorn. Løseligheten av sjelden jord i metallkrystall er liten, fordi atomradiusen til sjeldne jordelementer er stor, og atomradiusen til metallmatrise er relativt liten. Inntreden av sjeldne jordelementer med større radius i matriksgitteret vil forårsake gitterforvrengning, noe som vil øke systemenergien. For å opprettholde den laveste frie energien, kan sjeldne jordatomer bare berike mot uregelmessige korngrenser, noe som til en viss grad hindrer den frie veksten av matrikskorn. Samtidig vil de berikede sjeldne jordelementene også adsorbere andre legeringselementer, øke konsentrasjonsgradienten av legeringselementer, forårsake lokal komponent underkjøling og forbedre den heterogene kjernevirkningseffekten av den flytende metallmatrisen. I tillegg kan underkjølingen forårsaket av elementær segregering også fremme dannelsen av segregerte forbindelser og bli effektive heterogene nukleation -partikler, og dermed fremme foredlingen av metallmatrikskornene.

③ Rens korngrenser. På grunn av den sterke affiniteten mellom sjeldne jordelementer og elementer som O, S, P, N, etc., er den standard frie energien til dannelse for 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, reduserer segregeringen av urenheter ved korngrensen, og dermed renset korngrensen og forbedrer dens styrke.

Det skal bemerkes at på grunn av den høye aktiviteten og det lave smeltepunktet for sjeldne jordmetaller, når de blir tilsatt til metallmatrise -kompositt, må kontakten med oksygen være spesielt kontrollert under tilsetningsprosessen.

Et stort antall praksis har bevist at å legge til sjeldne jordoksider som stabilisatorer, sintringshjelpemidler og dopingmodifiserere til forskjellig metallmatrise og keramisk matrikskompositt kan forbedre styrken og seigheten til materialer, redusere sintringstemperaturen og dermed redusere produksjonskostnadene. Hovedmekanismen for dens handling er som følger.

① Som et sintringsadditiv kan det fremme sintring og redusere porøsitet i komposittmaterialer. Tilsetning av sintringsadditiver er å generere en væskefase ved høye temperaturer, redusere sintringstemperaturen til komposittmaterialer, hemme den høye temperaturen nedbrytning av materialer under sintringsprosessen og oppnå tette komposittmaterialer gjennom flytende fase sintring. På grunn av den høye stabiliteten, svake høye temperaturvolatiliteten og høye smelte- og kokepunkter med sjeldne jordoksider, kan de danne glassfaser med andre råvarer og fremme sintring, noe som gjør dem til et effektivt tilsetningsstoff. Samtidig kan den sjeldne jordoksid også danne fast løsning med den keramiske matrisen, som kan generere krystalldefekter inne, aktivere gitteret og fremme sintring.

② Forbedre mikrostruktur og avgrense kornstørrelse. På grunn av det faktum at de ekstra sjeldne jordoksydene hovedsakelig eksisterer ved korngrensene for matrisen, og på grunn av deres store volum, har sjeldne jordoksider høy migrasjonsmotstand i strukturen, og hindrer også migrasjonen av andre ioner, og reduserer dermed migrasjonshastigheten av korngrensene i hulling av kornvekst. De kan få små og ensartede korn, noe som bidrar til dannelsen av tette strukturer; På den annen side, ved å doping sjeldne jordoksider, kommer de inn i korngrensens glassfase, forbedrer styrken i glassfasen og oppnår dermed målet om å forbedre de mekaniske egenskapene til materialet.

Sjeldne jordelementer i polymermatrikskompositter påvirker dem hovedsakelig ved å forbedre egenskapene til polymermatrisen. Sjeldne jordoksider kan øke den termiske nedbrytningstemperaturen til polymerer, mens sjeldne jordkarboksylater kan forbedre den termiske stabiliteten til polyvinylklorid. Doping polystyren med sjeldne jordforbindelser kan forbedre stabiliteten til polystyren og øke dens påvirkningsstyrke og bøyestyrke betydelig.