Εφαρμογή της σπάνιας γης σε σύνθετα υλικά

ΑίτημαΣπάνια γησε σύνθετα υλικά
Τα στοιχεία σπάνιων γαιών έχουν μοναδική ηλεκτρονική δομή 4F, μεγάλη ατομική μαγνητική ροπή, ισχυρή σύζευξη περιστροφής 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 χρησιμοποιούνται στην τήξη των υψηλής ποιότητας χάλυβα και μη σιδηρούχων μετάλλων, ειδικά κεραμικά υψηλής απόδοσης, υλικά μόνιμων μαγνητών, υλικά αποθήκευσης υδρογόνου, υλικά φωταύγειας και λέιζερ, πυρηνικά υλικά και άλλα πεδία. Με τη συνεχή ανάπτυξη σύνθετων υλικών, η εφαρμογή των σπάνιων γαιών έχει επίσης επεκταθεί στο πεδίο των σύνθετων υλικών, προσελκύοντας ευρεία προσοχή στη βελτίωση των ιδιοτήτων διεπαφής μεταξύ ετερογενών υλικών.

Οι κύριες φόρμες αίτησης της σπάνιων γαιών κατά την προετοιμασία σύνθετων υλικών περιλαμβάνουν: ① Προσθήκημέταλλα σπάνιων γαιώνσε σύνθετα υλικά. ② Προσθήκη με τη μορφή τουΟξείδια σπάνιων γαιώνστο σύνθετο υλικό. ③ Τα πολυμερή που προσβάλλουν ή συνδέονται 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 ως επί το πλείστον στο Metal Matrix Composite, ενώ το τρίτο εφαρμόζεται κυρίως σε σύνθετα πολυμερή μήτρας και το σύνθετο κεραμικό μήτρα προστίθενται κυρίως στη δεύτερη μορφή.

Σπάνια γηΚυρίως ενεργεί σε μεταλλική μήτρα και σύνθετο κεραμικό μήτρα με τη μορφή προσθέτων, σταθεροποιητών και πρόσθετων πυροσυσσωμάτωσης, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοσή τους, μειώνοντας το κόστος παραγωγής και καθιστώντας δυνατή τη βιομηχανική εφαρμογή.

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

① Βελτιώστε τη διαβρεξιμότητα μεταξύ της μεταλλικής μήτρας και της φάσης ενίσχυσης. Η ηλεκτροαρνητικότητα των στοιχείων σπάνιων γαιών είναι σχετικά χαμηλή (όσο μικρότερη είναι η ηλεκτροαρνητικότητα των μετάλλων, τόσο πιο δραστική είναι η ηλεκτροαρνητικότητα των μη μεταλλικών). Για παράδειγμα, το LA είναι 1,1, το CE είναι 1,12 και το Υ είναι 1,22. Η ηλεκτροαρνητικότητα του κοινού μεταλλικού Fe είναι 1,83, το Ni είναι 1,91 και το AL είναι 1,61. Ως εκ τούτου, τα στοιχεία της σπάνιας γης θα προσροφηθούν κατά προτίμηση στα όρια των κόκκων της μεταλλικής μήτρας και της φάσης ενίσχυσης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας τήξης, μειώνοντας την ενέργεια της διασύνδεσης, αυξάνοντας το έργο προσκόλλησης της διασύνδεσης, μειώνοντας τη γωνία διαβροχής και βελτιώνοντας έτσι τη διαβρεξιμότητα μεταξύ της φάσης της μήτρας και της ενίσχυσης. Οι έρευνες έχουν δείξει ότι η προσθήκη του στοιχείου LA στη μήτρα αλουμινίου βελτιώνει αποτελεσματικά την κατεύθυνση του υγρού ALO και του αλουμινίου και βελτιώνει τη μικροδομή σύνθετων υλικών.

② Προωθήστε τη βελτίωση των κόκκων μεταλλικής μήτρας. Η διαλυτότητα της σπάνιας γης σε μεταλλικό κρύσταλλο 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 πλέγματος, η οποία θα αυξήσει την ενέργεια του συστήματος. Για να διατηρηθεί η χαμηλότερη ελεύθερη ενέργεια, τα άτομα σπάνιων γαιών μπορούν να εμπλουτίσουν μόνο τα ακανόνιστα όρια των κόκκων, τα οποία σε κάποιο βαθμό εμποδίζουν την ελεύθερη ανάπτυξη των κόκκων της μήτρας. Ταυτόχρονα, τα εμπλουτισμένα στοιχεία σπάνιας γης θα προσροφήσουν επίσης άλλα στοιχεία κράματος, αυξάνοντας την κλίση συγκέντρωσης των στοιχείων κράματος, προκαλώντας την τοπική συστατική και την ενίσχυση της ετερογενούς αποτελέσματος πυρήνωσης της υγρής μεταλλικής μήτρας. Επιπλέον, η υποψήφια που προκαλείται από τον στοιχειακό διαχωρισμό μπορεί επίσης να προωθήσει τον σχηματισμό διαχωρισμένων ενώσεων και να καταστεί αποτελεσματικά ετερογενή σωματίδια πυρήνωσης, προωθώντας έτσι τη βελτίωση των κόκκων μεταλλικής μήτρας.

③ Καθαρίστε τα όρια των κόκκων. Λόγω της ισχυρής συγγένειας μεταξύ στοιχείων σπάνιων γαιών και στοιχείων όπως O, S, P, N, κλπ., Η τυποποιημένη 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 από το υγρό κράματος, ενώ άλλοι 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.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι, λόγω της υψηλής δραστηριότητας και του χαμηλού σημείου τήξης των μετάλλων σπάνιων γαιών, όταν προστίθενται στο Metal Matrix Composite, η επαφή τους με το οξυγόνο πρέπει να ελέγχεται ειδικά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας προσθήκης.

Ένας μεγάλος αριθμός πρακτικών απέδειξε ότι η προσθήκη οξειδίων σπάνιων γαιών ως σταθεροποιητών, των βοηθημάτων πυροσυσσωμάτωσης και των τροποποιητών ντόπινγκ σε διαφορετική μεταλλική μήτρα και το σύνθετο κεραμικό μήτρα μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά τη δύναμη και την ανθεκτικότητα των υλικών, να μειώσουν τη θερμοκρασία τους και έτσι να μειώσουν το κόστος παραγωγής. Ο κύριος μηχανισμός της δράσης του έχει ως εξής.

① Ως πρόσθετο πυροσυσσωμάτωσης, μπορεί να προωθήσει την πυροσυσσωμάτωση και να μειώσει το πορώδες σε σύνθετα υλικά. Η προσθήκη πρόσθετων πυροσυσσωμάτωσης είναι να δημιουργηθεί μια υγρή φάση σε υψηλές θερμοκρασίες, να μειώσει τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης των σύνθετων υλικών, να αναστέλλει την αποσύνθεση υψηλής θερμοκρασίας των υλικών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης και να αποκτήσει πυκνά σύνθετα υλικά μέσω της πυροσυσσωμάτωσης της υγρής φάσης. Λόγω της υψηλής σταθερότητας, της αδύναμης αστάθειας υψηλής θερμοκρασίας και των υψηλών σημείων τήξης και βρασμού των οξειδίων σπάνιων γαιών, μπορούν να σχηματίσουν γυάλινες φάσεις με άλλες πρώτες ύλες και να προάγουν την πυροσυσσωμάτωση, καθιστώντας τους ένα αποτελεσματικό πρόσθετο. Ταυτόχρονα, το οξείδιο της σπάνιων γαιών μπορεί επίσης να σχηματίσει στερεό διάλυμα με την κεραμική μήτρα, η οποία μπορεί να παράγει κρυσταλλικά ελαττώματα μέσα, να ενεργοποιήσει το πλέγμα και να προάγει την πυροσυσσωμάτωση.

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 σπάνιων γαιών έχουν υψηλή αντοχή στη μετανάστευση στη δομή και επίσης εμποδίζουν τη μετανάστευση άλλων ιόντων, μειώνοντας έτσι τον ρυθμό μετανάστευσης των ορίων των κόκκων, την αναστολή της ανάπτυξης των κόκκων και την παρεμπόδιση της μη φυσιολογικής ανάπτυξης των κόκκων κατά τη διάρκεια της υψηλής έκτακτης ανάγκης. Μπορούν να αποκτήσουν μικρούς και ομοιόμορφους κόκκους, γεγονός που ευνοεί τον σχηματισμό πυκνών δομών. Από την άλλη πλευρά, με τα οξείδια σπάνιων γαιών, εισέρχονται στη φάση του ορίου των κόκκων, βελτιώνοντας τη δύναμη της γυάλινης φάσης και έτσι επιτυγχάνοντας τον στόχο της βελτίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού.

Στοιχεία σπάνιων γαιών σε σύνθετα πολυμερούς μήτρας τους επηρεάζουν κυρίως βελτιώνοντας τις ιδιότητες της πολυμερούς μήτρας. Τα οξείδια σπάνιων γαιών μπορούν να αυξήσουν τη θερμική θερμοκρασία αποσύνθεσης των πολυμερών, ενώ τα καρβοξυλικά σπάνια γη μπορούν να βελτιώσουν τη θερμική σταθερότητα του πολυβινυλομυιδίου. Το πολυστυρένιο ντόπινγκ με ενώσεις σπάνιων γαιών μπορεί να βελτιώσει τη σταθερότητα του πολυστυρολίου και να αυξήσει σημαντικά την αντοχή της επίδρασης και την αντοχή κάμψης.