Εφαρμογή σπάνιων γαιών σε σύνθετα υλικά

Εφαρμογή τουΣπάνια Γησε Σύνθετα Υλικά
Τα στοιχεία σπάνιων γαιών έχουν μοναδική ηλεκτρονική δομή 4f, μεγάλη ατομική μαγνητική ροπή, ισχυρή σύζευξη σπιν και άλλα χαρακτηριστικά. Όταν σχηματίζουν σύμπλοκα με άλλα στοιχεία, ο αριθμός συντονισμού τους μπορεί να κυμαίνεται από 6 έως 12. Οι ενώσεις σπάνιων γαιών έχουν μια ποικιλία κρυσταλλικών δομών. Οι ειδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες των σπάνιων γαιών τις καθιστούν ευρέως χρησιμοποιούμενες στην τήξη χάλυβα υψηλής ποιότητας και μη σιδηρούχων μετάλλων, ειδικού γυαλιού και κεραμικών υψηλής απόδοσης, υλικών μόνιμων μαγνητών, υλικών αποθήκευσης υδρογόνου, υλικών φωταύγειας και λέιζερ, πυρηνικών υλικών και άλλων πεδίων. Με τη συνεχή ανάπτυξη σύνθετων υλικών, η εφαρμογή των σπάνιων γαιών έχει επεκταθεί και στον τομέα των σύνθετων υλικών, προσελκύοντας ευρεία προσοχή στη βελτίωση των ιδιοτήτων διεπαφής μεταξύ ετερογενών υλικών.

Οι κύριες μορφές εφαρμογής των σπάνιων γαιών στην παρασκευή σύνθετων υλικών περιλαμβάνουν: ① προσθήκημέταλλα σπάνιων γαιώνσε σύνθετα υλικά· ② Προσθέστε με τη μορφήοξείδια σπάνιων γαιώνστο σύνθετο υλικό· ③ Τα πολυμερή που έχουν προσμειχθεί ή συνδεθεί με μέταλλα σπάνιων γαιών σε πολυμερή χρησιμοποιούνται ως υλικά μήτρας σε σύνθετα υλικά. Μεταξύ των παραπάνω τριών μορφών εφαρμογής σπάνιων γαιών, οι δύο πρώτες μορφές προστίθενται κυρίως σε σύνθετα μεταλλικής μήτρας, ενώ η τρίτη εφαρμόζεται κυρίως σε σύνθετα πολυμερικής μήτρας, και τα σύνθετα κεραμικής μήτρας προστίθενται κυρίως στη δεύτερη μορφή.

Σπάνιες γαίεςΔρα κυρίως σε μεταλλική μήτρα και κεραμική σύνθετη μήτρα με τη μορφή προσθέτων, σταθεροποιητών και προσθέτων σύντηξης, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοσή τους, μειώνοντας το κόστος παραγωγής και καθιστώντας δυνατή τη βιομηχανική εφαρμογή του.

Η προσθήκη σπάνιων γαιών ως πρόσθετα σε σύνθετα υλικά παίζει κυρίως ρόλο στη βελτίωση της απόδοσης της διεπαφής των σύνθετων υλικών και στην προώθηση της βελτίωσης των κόκκων της μεταλλικής μήτρας. Ο μηχανισμός δράσης έχει ως εξής.

① Βελτίωση της διαβρεξιμότητας μεταξύ της μεταλλικής μήτρας και της ενισχυτικής φάσης. Η ηλεκτραρνητικότητα των σπάνιων γαιών είναι σχετικά χαμηλή (όσο μικρότερη είναι η ηλεκτραρνητικότητα των μετάλλων, τόσο πιο ενεργή είναι η ηλεκτραρνητικότητα των αμετάλλων). Για παράδειγμα, το La είναι 1,1, το Ce είναι 1,12 και το Y είναι 1,22. Η ηλεκτραρνητικότητα του κοινού βασικού μετάλλου Fe είναι 1,83, του Ni είναι 1,91 και του Al είναι 1,61. Επομένως, τα στοιχεία σπάνιων γαιών θα προσροφηθούν κατά προτίμηση στα όρια των κόκκων της μεταλλικής μήτρας και της φάσης ενίσχυσης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας τήξης, μειώνοντας την ενέργεια διεπαφής τους, αυξάνοντας το έργο πρόσφυσης της διεπαφής, μειώνοντας τη γωνία διαβροχής και βελτιώνοντας έτσι την διαβρεξιμότητα μεταξύ της μήτρας και της φάσης ενίσχυσης. Έρευνες έχουν δείξει ότι η προσθήκη του στοιχείου La στη μήτρα αλουμινίου βελτιώνει αποτελεσματικά την διαβρεξιμότητα του AlO και του υγρού αλουμινίου και βελτιώνει τη μικροδομή των σύνθετων υλικών.

② Προώθηση της βελτίωσης των κόκκων της μεταλλικής μήτρας. Η διαλυτότητα των σπάνιων γαιών σε μεταλλικούς κρυστάλλους είναι μικρή, επειδή η ατομική ακτίνα των στοιχείων σπάνιων γαιών είναι μεγάλη και η ατομική ακτίνα της μεταλλικής μήτρας είναι σχετικά μικρή. Η είσοδος στοιχείων σπάνιων γαιών με μεγαλύτερη ακτίνα στο πλέγμα της μήτρας θα προκαλέσει παραμόρφωση του πλέγματος, η οποία θα αυξήσει την ενέργεια του συστήματος. Για να διατηρηθεί η χαμηλότερη ελεύθερη ενέργεια, τα άτομα σπάνιων γαιών μπορούν να εμπλουτιστούν μόνο προς τα ακανόνιστα όρια των κόκκων, κάτι που σε κάποιο βαθμό εμποδίζει την ελεύθερη ανάπτυξη των κόκκων της μήτρας. Ταυτόχρονα, τα εμπλουτισμένα στοιχεία σπάνιων γαιών θα προσροφήσουν επίσης άλλα στοιχεία κράματος, αυξάνοντας την κλίση συγκέντρωσης των στοιχείων κράματος, προκαλώντας τοπική υποψύξη των συστατικών και ενισχύοντας το φαινόμενο ετερογενούς πυρήνωσης της υγρής μεταλλικής μήτρας. Επιπλέον, η υποψύξη που προκαλείται από τον στοιχειακό διαχωρισμό μπορεί επίσης να προωθήσει τον σχηματισμό διαχωρισμένων ενώσεων και να γίνει αποτελεσματικά ετερογενή σωματίδια πυρήνωσης, προωθώντας έτσι την βελτίωση των κόκκων της μεταλλικής μήτρας.

③ Καθαρισμός των ορίων των κόκκων. Λόγω της ισχυρής συγγένειας μεταξύ των στοιχείων σπάνιων γαιών και στοιχείων όπως το O, S, P, N, κ.λπ., η τυπική ελεύθερη ενέργεια σχηματισμού για οξείδια, σουλφίδια, φωσφίδια και νιτρίδια είναι χαμηλή. Αυτές οι ενώσεις έχουν υψηλό σημείο τήξης και χαμηλή πυκνότητα, μερικές από τις οποίες μπορούν να απομακρυνθούν με την επίπλευση προς τα πάνω από το υγρό κράματος, ενώ άλλες κατανέμονται ομοιόμορφα μέσα στον κόκκο, μειώνοντας τον διαχωρισμό των ακαθαρσιών στο όριο των κόκκων, καθαρίζοντας έτσι το όριο των κόκκων και βελτιώνοντας την αντοχή του.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι, λόγω της υψηλής δραστικότητας και του χαμηλού σημείου τήξης των σπάνιων γαιών, όταν προστίθενται σε σύνθετα μεταλλικά υλικά, η επαφή τους με το οξυγόνο πρέπει να ελέγχεται ειδικά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας προσθήκης.

Ένας μεγάλος αριθμός πρακτικών έχει αποδείξει ότι η προσθήκη οξειδίων σπάνιων γαιών ως σταθεροποιητές, βοηθήματα σύντηξης και τροποποιητές πρόσμιξης σε διαφορετικά σύνθετα μεταλλικά και κεραμικά υλικά μήτρας μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αντοχή και την ανθεκτικότητα των υλικών, να μειώσει τη θερμοκρασία σύντηξης και, επομένως, να μειώσει το κόστος παραγωγής. Ο κύριος μηχανισμός δράσης της έχει ως εξής.

① Ως πρόσθετο πυροσυσσωμάτωσης, μπορεί να προωθήσει την πυροσυσσωμάτωση και να μειώσει το πορώδες στα σύνθετα υλικά. Η προσθήκη προσθέτων πυροσυσσωμάτωσης έχει ως στόχο τη δημιουργία υγρής φάσης σε υψηλές θερμοκρασίες, τη μείωση της θερμοκρασίας πυροσυσσωμάτωσης των σύνθετων υλικών, την αναστολή της αποσύνθεσης των υλικών σε υψηλή θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης και την απόκτηση πυκνών σύνθετων υλικών μέσω πυροσυσσωμάτωσης σε υγρή φάση. Λόγω της υψηλής σταθερότητας, της ασθενούς πτητικότητας σε υψηλή θερμοκρασία και των υψηλών σημείων τήξης και βρασμού των οξειδίων των σπάνιων γαιών, μπορούν να σχηματίσουν γυάλινες φάσεις με άλλες πρώτες ύλες και να προωθήσουν την πυροσυσσωμάτωση, καθιστώντας τα ένα αποτελεσματικό πρόσθετο. Ταυτόχρονα, το οξείδιο των σπάνιων γαιών μπορεί επίσης να σχηματίσει στερεό διάλυμα με την κεραμική μήτρα, το οποίο μπορεί να δημιουργήσει κρυσταλλικά ελαττώματα στο εσωτερικό, να ενεργοποιήσει το πλέγμα και να προωθήσει την πυροσυσσωμάτωση.

② Βελτίωση της μικροδομής και βελτίωση του μεγέθους των κόκκων. Λόγω του γεγονότος ότι τα προστιθέμενα οξείδια σπάνιων γαιών υπάρχουν κυρίως στα όρια των κόκκων της μήτρας και λόγω του μεγάλου όγκου τους, τα οξείδια σπάνιων γαιών έχουν υψηλή αντίσταση στη μετανάστευση στη δομή και επίσης εμποδίζουν τη μετανάστευση άλλων ιόντων, μειώνοντας έτσι τον ρυθμό μετανάστευσης των ορίων των κόκκων, αναστέλλοντας την ανάπτυξη των κόκκων και εμποδίζοντας την ανώμαλη ανάπτυξη των κόκκων κατά τη διάρκεια της υψηλής θερμοκρασίας σύντηξης. Μπορούν να αποκτήσουν μικρούς και ομοιόμορφους κόκκους, κάτι που ευνοεί τον σχηματισμό πυκνών δομών. Από την άλλη πλευρά, με την προσθήκη οξειδίων σπάνιων γαιών, εισέρχονται στη φάση γυαλιού στα όρια των κόκκων, βελτιώνοντας την αντοχή της φάσης γυαλιού και επιτυγχάνοντας έτσι τον στόχο της βελτίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού.

Τα στοιχεία σπάνιων γαιών στα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας τα επηρεάζουν κυρίως βελτιώνοντας τις ιδιότητες της πολυμερικής μήτρας. Τα οξείδια των σπάνιων γαιών μπορούν να αυξήσουν τη θερμοκρασία θερμικής αποσύνθεσης των πολυμερών, ενώ τα καρβοξυλικά άλατα των σπάνιων γαιών μπορούν να βελτιώσουν τη θερμική σταθερότητα του πολυβινυλοχλωριδίου. Η προσθήκη πολυστυρενίου με ενώσεις σπάνιων γαιών μπορεί να βελτιώσει τη σταθερότητα του πολυστυρενίου και να αυξήσει σημαντικά την αντοχή του σε κρούση και την αντοχή σε κάμψη.