Hva er påvirkningen av sjeldne jordartsoksider i keramiske belegg?

Keramikk, metallmaterialer og polymermaterialer er listet opp som de tre viktigste faste materialene. Keramikk har mange utmerkede egenskaper, som høy temperaturbestandighet, korrosjonsbestandighet, slitestyrke, etc., fordi den atomære bindingsmåten til keramikk er ionisk binding, kovalent binding eller blandet ion-kovalent binding med høy bindingsenergi. Keramisk belegg kan endre utseendet, strukturen og ytelsen til den ytre overflaten av substratet. Belegg-substrat-kompositt er foretrukket på grunn av sin nye ytelse. Den kan organisk kombinere de opprinnelige egenskapene til substratet med egenskapene til høy temperaturbestandighet, høy slitestyrke og høy korrosjonsbestandighet til keramiske materialer, og gi full spille på de omfattende fordelene til de to materialtypene, så det er mye brukt i romfart, luftfart, nasjonalt forsvar, kjemisk industri og andre industrier.

Sjeldne jordarter kalles «skattehuset» for nye materialer på grunn av sin unike 4f ​​elektroniske struktur og fysiske og kjemiske egenskaper. Rene sjeldne jordartsmetaller brukes imidlertid sjelden direkte i forskning, og det er hovedsakelig sjeldne jordartsforbindelser som brukes. De vanligste forbindelsene er CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS og sjeldne jordartsferrosilisium. Disse sjeldne jordartsforbindelsene kan forbedre strukturen og egenskapene til keramiske materialer og keramiske belegg.

I anvendelse av sjeldne jordartsoksider i keramiske materialer

Å tilsette sjeldne jordartsmetaller som stabilisatorer og sintringshjelpemidler til forskjellige keramikkmaterialer kan redusere sintringstemperaturen, forbedre styrken og seigheten til noen strukturelle keramikkmaterialer, og dermed redusere produksjonskostnadene. Samtidig spiller sjeldne jordartsmetaller også en svært viktig rolle i halvledergassensorer, mikrobølgemedier, piezoelektrisk keramikk og annen funksjonell keramikk. Forskningen fant at det er bedre å tilsette to eller flere sjeldne jordartsoksider til aluminakeramikk sammen enn å tilsette et enkelt sjeldne jordartsoksid til aluminakeramikk. Etter optimaliseringstester har Y2O3+CeO2 best effekt. Når 0,2 % Y2O3+0,2 %CeO2 tilsettes ved 1490 ℃, kan den relative tettheten av sintrede prøver nå 96,2 %, som overstiger tettheten av prøver med sjeldne jordartsoksider Y2O3 eller CeO2 alene.

Effekten av La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 når det gjelder å fremme sintring er bedre enn å bare tilsette La2O3, og slitestyrken forbedres tydelig. Det viser også at blandingen av to sjeldne jordartsoksider ikke er en enkel tilsetning, men at det er en interaksjon mellom dem, noe som er mer gunstig for sintring og forbedring av ytelsen til alumina-keramikk, men prinsippet gjenstår å studere.

I tillegg er det funnet at tilsetning av blandede sjeldne jordmetalloksider som sintringshjelpemidler kan forbedre materialmigrasjonen, fremme sintringen av MgO-keramikk og forbedre tettheten. Når innholdet av blandet metalloksid er mer enn 15 %, reduseres imidlertid den relative tettheten og den åpne porøsiteten øker.

For det andre, påvirkningen av sjeldne jordartsoksider på egenskapene til keramiske belegg

Eksisterende forskning viser at sjeldne jordartsmetaller kan forbedre kornstørrelsen, øke tettheten, forbedre mikrostrukturen og rense grenseflaten. De spiller en unik rolle i å forbedre styrken, seigheten, hardheten, slitestyrken og korrosjonsmotstanden til keramiske belegg, noe som forbedrer ytelsen til keramiske belegg til en viss grad og utvider bruksområdet til keramiske belegg.

1

Forbedring av mekaniske egenskaper til keramiske belegg med sjeldne jordartsoksider

Oksyder av sjeldne jordarter kan forbedre hardheten, bøyestyrken og strekkfastheten til keramiske belegg betydelig. De eksperimentelle resultatene viser at beleggets strekkfasthet kan forbedres effektivt ved å bruke Lao-2 som tilsetningsstoff i Al₂O₃+3 % TiO₂-materiale, og strekkfastheten kan nå 27,36 MPa når mengden Lao-2 er 6,0 %. Ved å tilsette CeO₂ med en massefraksjon på 3,0 % og 6,0 % i Cr₂O₃-materialet er beleggets strekkfasthet mellom 18–25 MPa, som er større enn de opprinnelige 12–16 MPa. Når innholdet av CeO₂ er 9,0 %, reduseres imidlertid strekkfastheten til 12–15 MPa.

2

Forbedring av termisk sjokkmotstand for keramisk belegg med sjeldne jordarter

Termisk sjokkmotstandstest er en viktig test for å kvalitativt gjenspeile bindingsstyrken mellom belegg og substrat og samsvaret av termisk ekspansjonskoeffisient mellom belegg og substrat. Den gjenspeiler direkte beleggets evne til å motstå avskalling når temperaturen endres vekselvis under bruk, og gjenspeiler også beleggets evne til å motstå mekanisk støtutmatting og bindingsevnen til substratet fra siden. Derfor er det også en nøkkelfaktor for å bedømme kvaliteten på det keramiske belegget.

Forskningen viser at tilsetning av 3,0 % CeO2 kan redusere porøsiteten og porestørrelsen i belegget, og redusere spenningskonsentrasjonen ved porekanten, og dermed forbedre termisk sjokkmotstanden til Cr2O3-belegget. Porøsiteten til det keramiske Al2O3-belegget ble imidlertid redusert, og bindingsstyrken og levetiden til termisk sjokk økte betydelig etter tilsetning av LaO2. Når den tilsatte mengden LaO2 er 6 % (massefraksjon), er beleggets termiske sjokkmotstand best, og levetiden til termisk sjokk kan nå 218 ganger, mens levetiden til belegget uten LaO2 bare er 163 ganger.

3

Sjeldne jordartsoksider påvirker slitestyrken til belegg

De sjeldne jordartsoksidene som brukes for å forbedre slitestyrken til keramiske belegg er hovedsakelig CeO2 og La2O3. Deres sekskantede lagstruktur kan vise god smørefunksjon og opprettholde stabile kjemiske egenskaper ved høy temperatur, noe som effektivt kan forbedre slitestyrken og redusere friksjonskoeffisienten.

Forskning viser at friksjonskoeffisienten til belegget med riktig mengde CeO2 er liten og stabil. Det har blitt rapportert at tilsetning av La2O3 til plasmasprøytet nikkelbasert cermetbelegg åpenbart kan redusere friksjonsslitasje og friksjonskoeffisienten til belegget, og friksjonskoeffisienten er stabil med liten svingning. Slitasjeflaten på kledningslaget uten sjeldne jordarter viser alvorlig adhesjon og sprøbrudd og avskalling. Belegg som inneholder sjeldne jordarter viser imidlertid svak adhesjon på den slitte overflaten, og det er ingen tegn til sprø avskalling over store områder. Mikrostrukturen til belegg dopet med sjeldne jordarter er tettere og mer kompakt, og porene er redusert, noe som reduserer den gjennomsnittlige friksjonskraften som bæres av mikroskopiske partikler og reduserer friksjon og slitasje. Doping av sjeldne jordarter kan også øke krystallplanavstanden til cermeter. Det fører til endring av interaksjonskraften mellom de to krystallflatene og reduserer friksjonskoeffisienten.

Sammendrag:

Selv om sjeldne jordartsoksider har gjort store fremskritt innen anvendelse av keramiske materialer og belegg, noe som effektivt kan forbedre mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til keramiske materialer og belegg, er det fortsatt mange ukjente egenskaper, spesielt når det gjelder å redusere friksjon og slitasje. Hvordan man får materialers styrke og slitestyrke til å samarbeide med deres smøreegenskaper har blitt en viktig retning verdt å diskutere innen tribologi.

Tlf: +86-21-20970332E-post：info@shxlchem.com