Εφαρμογή τουΣπάνια Γηστα Σύνθετα Υλικά
Τα στοιχεία σπανίων γαιών έχουν μοναδική ηλεκτρονική δομή 4f, μεγάλη ατομική μαγνητική ροπή, ισχυρή σύζευξη σπιν και άλλα χαρακτηριστικά. Όταν σχηματίζονται σύμπλοκα με άλλα στοιχεία, ο αριθμός συντονισμού τους μπορεί να κυμαίνεται από 6 έως 12. Οι ενώσεις σπανίων γαιών έχουν μια ποικιλία κρυσταλλικών δομών. Οι ειδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες των σπάνιων γαιών τις κάνουν να χρησιμοποιούνται ευρέως στην τήξη χάλυβα υψηλής ποιότητας και μη σιδηρούχων μετάλλων, ειδικού γυαλιού και κεραμικών υψηλής απόδοσης, υλικών μόνιμου μαγνήτη, υλικών αποθήκευσης υδρογόνου, υλικών φωταύγειας και λέιζερ, πυρηνικών υλικών και άλλα πεδία. Με τη συνεχή ανάπτυξη των 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 σπάνιων γαιών στην παρασκευή σύνθετων υλικών περιλαμβάνουν: ① προσθήκημέταλλα σπάνιων γαιώνσε σύνθετα υλικά? ② Προσθήκη με τη μορφήοξείδια σπάνιων γαιώνστο σύνθετο υλικό? ③ Τα πολυμερή που έχουν προστεθεί ή είναι συνδεδεμένα 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 υλικά μεταλλικής μήτρας, ενώ η τρίτη εφαρμόζεται κυρίως σε σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας και το σύνθετο κεραμικής μήτρας προστίθεται κυρίως στη δεύτερη μορφή.
Σπάνια γηδρα κυρίως σε μεταλλική μήτρα και σύνθετη κεραμική μήτρα με τη μορφή πρόσθετων, σταθεροποιητών και προσθέτων πυροσυσσωμάτωσης, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοσή τους, μειώνοντας το κόστος παραγωγής και καθιστώντας δυνατή τη βιομηχανική εφαρμογή του.
Η προσθήκη στοιχείων σπάνιων γαιών ως πρόσθετων σε σύνθετα υλικά παίζει κυρίως ρόλο στη βελτίωση της απόδοσης διεπαφής των σύνθετων υλικών και στην προώθηση της τελειοποίησης των κόκκων μεταλλικής μήτρας. Ο μηχανισμός δράσης είναι ο εξής.
① Βελτιώστε τη διαβρεξιμότητα μεταξύ της μεταλλικής μήτρας και της φάσης ενίσχυσης. Η ηλεκτραρνητικότητα των στοιχείων σπάνιων γαιών είναι σχετικά χαμηλή (όσο μικρότερη είναι η ηλεκτραρνητικότητα των μετάλλων, τόσο πιο ενεργή είναι η ηλεκτραρνητικότητα των μη μετάλλων). Για παράδειγμα, το La είναι 1,1, το Ce είναι 1,12 και το Υ είναι 1,22. Η ηλεκτραρνητικότητα του κοινού βασικού μετάλλου Fe είναι 1,83, το Ni είναι 1,91 και το Al είναι 1,61. Ως εκ τούτου, τα στοιχεία σπανίων γαιών θα προσροφηθούν κατά προτίμηση στα όρια των κόκκων της μεταλλικής μήτρας και της φάσης οπλισμού κατά τη διαδικασία τήξης, μειώνοντας την ενέργεια διεπαφής τους, αυξάνοντας το έργο πρόσφυσης της διεπαφής, μειώνοντας τη γωνία διαβροχής και βελτιώνοντας έτσι τη διαβρεξιμότητα μεταξύ της μήτρας και φάση ενίσχυσης. Η έρευνα έχει δείξει ότι η προσθήκη του στοιχείου La στη μήτρα αλουμινίου βελτιώνει αποτελεσματικά τη διαβρεξιμότητα του AlO και του υγρού αλουμινίου και βελτιώνει τη μικροδομή των σύνθετων υλικών.
② Προωθήστε τη βελτίωση των κόκκων μεταλλικής μήτρας. Η διαλυτότητα της σπάνιας γαίας σε μεταλλικό κρύσταλλο είναι μικρή, επειδή η ατομική ακτίνα των στοιχείων σπανίων 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 σπανίων γαιών μπορούν να εμπλουτιστούν μόνο προς ακανόνιστα όρια κόκκων, γεγονός που σε κάποιο βαθμό εμποδίζει την ελεύθερη ανάπτυξη των κόκκων μήτρας. Ταυτόχρονα, τα εμπλουτισμένα στοιχεία σπάνιων γαιών θα προσροφήσουν επίσης άλλα στοιχεία κράματος, αυξάνοντας τη βαθμίδα συγκέντρωσης των στοιχείων κράματος, προκαλώντας τοπική υποψύξη των συστατικών και ενισχύοντας το φαινόμενο ετερογενούς πυρήνωσης της μήτρας υγρού μετάλλου. Επιπλέον, η υποψύξη που προκαλείται από τον στοιχειακό διαχωρισμό μπορεί επίσης να προάγει τον σχηματισμό διαχωρισμένων ενώσεων και να γίνει αποτελεσματικά ετερογενή σωματίδια πυρήνωσης, προάγοντας έτσι τη βελτίωση των κόκκων της μεταλλικής μήτρας.
③ Καθαρίστε τα όρια των κόκκων. Λόγω της ισχυρής συγγένειας μεταξύ στοιχείων σπάνιων γαιών και στοιχείων όπως 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 αφαιρεθούν επιπλέοντας από το υγρό του κράματος, ενώ άλλες κατανέμονται ομοιόμορφα μέσα στους κόκκους, μειώνοντας τον διαχωρισμό των ακαθαρσιών στο όριο των κόκκων, καθαρίζοντας έτσι το όριο των κόκκων και βελτιώνοντας τη δύναμή του.
Πρέπει να σημειωθεί ότι, λόγω της υψηλής δραστικότητας και του χαμηλού σημείου τήξης των μετάλλων σπάνιων γαιών, όταν προστίθενται σε σύνθετο υλικό μεταλλικής μήτρας, η επαφή τους με το οξυγόνο χρειάζεται να ελέγχεται ειδικά κατά τη διαδικασία προσθήκης.
Ένας μεγάλος αριθμός πρακτικών έχει αποδείξει ότι η προσθήκη οξειδίων σπάνιων γαιών ως σταθεροποιητών, βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης και τροποποιητών ντόπινγκ σε διαφορετική μεταλλική μήτρα και σύνθετο κεραμικής μήτρας μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αντοχή και την σκληρότητα των υλικών, να μειώσει τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης τους και έτσι να μειώσει το κόστος παραγωγής. Ο κύριος μηχανισμός δράσης του είναι ο εξής.
① Ως πρόσθετο πυροσυσσωμάτωσης, μπορεί να προωθήσει τη σύντηξη και να μειώσει το πορώδες στα σύνθετα υλικά. Η προσθήκη προσθέτων πυροσυσσωμάτωσης συνίσταται στη δημιουργία υγρής φάσης σε υψηλές θερμοκρασίες, στη μείωση της θερμοκρασίας πυροσυσσωμάτωσης των σύνθετων υλικών, στην αναστολή της αποσύνθεσης υλικών σε υψηλή θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης και στη λήψη πυκνών σύνθετων υλικών μέσω της πυροσυσσωμάτωσης σε υγρή φάση. Λόγω της υψηλής σταθερότητας, της ασθενής πτητικότητας σε υψηλή θερμοκρασία και των υψηλών σημείων τήξης και βρασμού των οξειδίων σπάνιων γαιών, μπορούν να σχηματίσουν γυάλινες φάσεις με άλλες πρώτες ύλες και να προάγουν τη σύντηξη, 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 τη σύντηξη.
② Βελτιώστε τη μικροδομή και βελτιώστε το μέγεθος 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 σπανίων γαιών έχουν υψηλή αντίσταση στη μετανάστευση στη δομή και επίσης εμποδίζουν τη μετανάστευση άλλων ιόντων, μειώνοντας έτσι την ρυθμός μετανάστευσης των ορίων των κόκκων, αναστέλλοντας την ανάπτυξη των κόκκων και παρεμποδίζοντας την ανώμαλη ανάπτυξη των κόκκων κατά τη σύντηξη σε υψηλή θερμοκρασία. Μπορούν να αποκτήσουν μικρούς και ομοιόμορφους κόκκους, που ευνοούν το σχηματισμό πυκνών δομών. Από την άλλη πλευρά, με ντόπινγκ οξείδια σπάνιων γαιών, εισέρχονται στην οριακή γυάλινη φάση των κόκκων, βελτιώνοντας την αντοχή της γυάλινης φάσης και επιτυγχάνοντας έτσι τον στόχο της βελτίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού.
Τα στοιχεία σπανίων γαιών σε σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας τα επηρεάζουν κυρίως βελτιώνοντας τις ιδιότητες της πολυμερούς μήτρας. Τα οξείδια των σπάνιων γαιών μπορούν να αυξήσουν τη θερμοκρασία θερμικής αποσύνθεσης των πολυμερών, ενώ τα καρβοξυλικά σπανίων γαιών μπορούν να βελτιώσουν τη θερμική σταθερότητα του χλωριούχου πολυβινυλίου. Το πολυστυρένιο ντόπινγκ με ενώσεις σπάνιων γαιών μπορεί να βελτιώσει τη σταθερότητα του πολυστυρενίου και να αυξήσει σημαντικά την αντοχή σε κρούση και την αντοχή του σε κάμψη.
Ώρα δημοσίευσης: Απρ-26-2023