Bruk av sjeldne jordarter i komposittmaterialer

Anvendelse avSjelden jordi komposittmaterialer
Sjeldne jordelementer har unik 4f elektronisk struktur, stort atomisk magnetisk moment, sterk spinnkobling og andre egenskaper. Når du danner komplekser med andre elementer, kan deres koordinasjonsnummer variere fra 6 til 12. Sjeldne jordartsforbindelser har en rekke krystallstrukturer. De spesielle fysiske og kjemiske egenskapene til sjeldne jordarter gjør dem mye brukt i smelting av høykvalitets stål og ikke-jernholdige metaller, spesialglass og høyytelses keramikk, permanentmagnetmaterialer, hydrogenlagringsmaterialer, selvlysende og lasermaterialer, kjernefysiske materialer , og andre felt. Med den kontinuerlige utviklingen av komposittmaterialer har bruken av sjeldne jordarter også utvidet seg til feltet av komposittmaterialer, og tiltrekker seg stor oppmerksomhet for å forbedre grensesnittegenskapene mellom heterogene materialer.

De viktigste bruksformene for sjeldne jordarter i fremstillingen av komposittmaterialer inkluderer: ① tilsetningsjeldne jordmetallertil komposittmaterialer; ② Legg til i form avsjeldne jordartsoksidertil komposittmaterialet; ③ Polymerer dopet eller bundet med sjeldne jordmetaller i polymerer brukes som matrisematerialer i komposittmaterialer. Blant de tre ovennevnte formene for påføring av sjeldne jordarter, er de to første formene for det meste tilsatt til metallmatrisekompositt, mens den tredje hovedsakelig brukes på polymermatrisekompositter, og den keramiske matrisekompositten er hovedsakelig tilsatt i den andre formen.

Sjelden jordvirker hovedsakelig på metallmatrise og keramisk matrisekompositt i form av tilsetningsstoffer, stabilisatorer og sintringsadditiver, noe som forbedrer ytelsen betydelig, reduserer produksjonskostnadene og gjør den industrielle anvendelsen mulig.

Tilsetning av sjeldne jordartsmetaller som tilsetningsstoffer i komposittmaterialer spiller hovedsakelig en rolle i å forbedre grensesnittytelsen til komposittmaterialer og fremme foredlingen av metallmatrisekorn. Virkningsmekanismen er som følger.

① Forbedre fuktbarheten mellom metallmatrisen og armeringsfasen. Elektronegativiteten til sjeldne jordartselementer er relativt lav (jo mindre elektronegativiteten til metaller, jo mer aktiv er elektronegativiteten til ikke-metaller). For eksempel er La 1,1, Ce er 1,12 og Y er 1,22. Elektronegativiteten til vanlig basismetall Fe er 1,83, Ni er 1,91 og Al er 1,61. Derfor vil sjeldne jordartselementer fortrinnsvis adsorbere på korngrensene til metallmatrisen og armeringsfasen under smelteprosessen, redusere deres grensesnittenergi, øke adhesjonsarbeidet til grenseflaten, redusere fuktingsvinkelen og derved forbedre fuktbarheten mellom matrisen. og forsterkningsfasen. Forskning har vist at tilsetning av La-element til aluminiumsmatrisen effektivt forbedrer fuktbarheten til AlO og aluminiumsvæske, og forbedrer mikrostrukturen til komposittmaterialer.

② Fremme foredlingen av metallmatrisekorn. Løseligheten til sjeldne jordarter i metallkrystall er liten, fordi atomradiusen til sjeldne jordartselementer er stor, og atomradiusen til metallmatrisen er relativt liten. Inntreden 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 berike mot uregelmessige korngrenser, noe som til en viss grad hindrer den frie veksten av matrisekorn. Samtidig vil de anrikede sjeldne jordartelementene også adsorbere andre legeringselementer, øke konsentrasjonsgradienten til legeringselementer, forårsake lokal komponentunderkjøling og forsterke den heterogene kjernedannelseseffekten til den flytende metallmatrisen. I tillegg kan underkjølingen forårsaket av elementær segregering også fremme dannelsen av segregerte forbindelser og bli effektive heterogene kjernedannelsespartikler, og derved fremme raffineringen av metallmatrikskornene.

③ Rens korngrensene. På grunn av den sterke affiniteten mellom sjeldne jordartselementer og elementer som O, S, P, N, etc., er standard fri dannelsesenergi 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, noe som reduserer segregeringen av urenheter ved korngrensen, og renser derved korngrensen og forbedre sin styrke.

Det skal bemerkes at på grunn av den høye aktiviteten og det lave smeltepunktet til sjeldne jordartsmetaller, når de tilsettes til metallmatrisekompositt, må kontakten deres med oksygen kontrolleres spesielt under tilsetningsprosessen.

Et stort antall praksiser har vist at tilsetning av sjeldne jordartsmetalloksider som stabilisatorer, sintringshjelpemidler og dopingmodifikatorer til forskjellige metallmatrise og keramiske matrisekompositter kan i stor grad forbedre styrken og seigheten til materialene, redusere sintringstemperaturen og dermed redusere produksjonskostnadene. Hovedmekanismen for dens handling er som følger.

① Som et sintringsadditiv kan det fremme sintring og redusere porøsiteten i komposittmaterialer. Tilsetningen av sintringsadditiver er å generere en flytende fase ved høye temperaturer, redusere sintringstemperaturen til komposittmaterialer, hemme høytemperaturdekomponering av materialer under sintringsprosessen og oppnå tette komposittmaterialer gjennom sintring i væskefase. På grunn av høy stabilitet, svak høytemperaturflyktighet og høye smelte- og kokepunkter for sjeldne jordartsoksider, kan de danne glassfaser med andre råmaterialer og fremme sintring, noe som gjør dem til et effektivt tilsetningsstoff. Samtidig kan det sjeldne jordartsoksidet også danne en fast løsning med den keramiske matrisen, som kan generere krystalldefekter inni, aktivere gitteret og fremme sintring.

② Forbedre mikrostrukturen og foredle kornstørrelsen. På grunn av det faktum at de tilsatte sjeldne jordartsoksidene hovedsakelig eksisterer ved korngrensene til matrisen, og på grunn av deres store volum, har sjeldne jordartsoksider høy migrasjonsmotstand i strukturen, og hindrer også migrering av andre ioner, og reduserer dermed migrasjonshastighet for korngrenser, hemmer kornvekst og hindrer unormal vekst av korn under høytemperatursintring. De kan få små og jevne korn, noe som bidrar til dannelsen av tette strukturer; På den annen side, ved å dope sjeldne jordartsoksider, går de inn i korngrenseglassfasen, og forbedrer styrken til glassfasen og oppnår dermed målet om å forbedre materialets mekaniske egenskaper.

Sjeldne jordartselementer i polymermatrisekompositter påvirker dem hovedsakelig ved å forbedre egenskapene til polymermatrisen. Sjeldne jordartsoksider kan øke den termiske nedbrytningstemperaturen til polymerer, mens sjeldne jordartsmetallkarboksylater kan forbedre den termiske stabiliteten til polyvinylklorid. Doping av polystyren med sjeldne jordartsforbindelser kan forbedre stabiliteten til polystyren og øke slagstyrken og bøyestyrken betydelig.