Ποια είναι η επίδραση των οξειδίων των σπάνιων γαιών στις κεραμικές επιστρώσεις;

Τα κεραμικά, τα μεταλλικά υλικά και τα πολυμερή υλικά αναφέρονται ως τα τρία κύρια στερεά υλικά. Τα κεραμικά έχουν πολλές εξαιρετικές ιδιότητες, όπως αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, αντοχή στη διάβρωση, αντοχή στη φθορά κ.λπ., επειδή ο ατομικός τρόπος σύνδεσης των κεραμικών είναι ιοντικός δεσμός, ομοιοπολικός δεσμός ή μικτός ιοντο-ομοιοπολικός δεσμός με υψηλή ενέργεια δεσμού. Η κεραμική επίστρωση μπορεί να αλλάξει την εμφάνιση, τη δομή και την απόδοση της εξωτερικής επιφάνειας του υποστρώματος. Το σύνθετο υλικό επίστρωσης-υποστρώματος προτιμάται για τη νέα του απόδοση. Μπορεί να συνδυάσει οργανικά τα αρχικά χαρακτηριστικά του υποστρώματος με τα χαρακτηριστικά αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, υψηλής αντοχής στη φθορά και υψηλής αντοχής στη διάβρωση των κεραμικών υλικών, και να δώσει πλήρη αξιοποίηση των ολοκληρωμένων πλεονεκτημάτων των δύο ειδών υλικών, επομένως χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, την αεροπορία, την εθνική άμυνα, τη χημική βιομηχανία και άλλες βιομηχανίες.

Οι σπάνιες γαίες ονομάζονται «θησαυρός» νέων υλικών, λόγω της μοναδικής ηλεκτρονικής δομής 4f και των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων τους. Ωστόσο, τα καθαρά μέταλλα σπάνιων γαιών σπάνια χρησιμοποιούνται άμεσα στην έρευνα και ως επί το πλείστον χρησιμοποιούνται ενώσεις σπάνιων γαιών. Οι πιο συνηθισμένες ενώσεις είναι οι CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS και το σιδηροπυρίτιο σπάνιων γαιών. Αυτές οι ενώσεις σπάνιων γαιών μπορούν να βελτιώσουν τη δομή και τις ιδιότητες των κεραμικών υλικών και των κεραμικών επιστρώσεων.

Εφαρμογή οξειδίων σπάνιων γαιών σε κεραμικά υλικά

Η προσθήκη στοιχείων σπάνιων γαιών ως σταθεροποιητές και βοηθήματα σύντηξης σε διαφορετικά κεραμικά μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία σύντηξης, να βελτιώσει την αντοχή και την ανθεκτικότητα ορισμένων δομικών κεραμικών και, επομένως, να μειώσει το κόστος παραγωγής. Ταυτόχρονα, τα στοιχεία σπάνιων γαιών παίζουν επίσης πολύ σημαντικό ρόλο σε αισθητήρες αερίου ημιαγωγών, μέσα μικροκυμάτων, πιεζοηλεκτρικά κεραμικά και άλλα λειτουργικά κεραμικά. Η έρευνα διαπίστωσε ότι η προσθήκη δύο ή περισσότερων οξειδίων σπάνιων γαιών σε κεραμικά αλουμίνας είναι καλύτερη από την προσθήκη ενός μόνο οξειδίου σπάνιων γαιών σε κεραμικά αλουμίνας. Μετά από δοκιμή βελτιστοποίησης, το Y2O3+CeO2 έχει το καλύτερο αποτέλεσμα. Όταν προστίθεται 0,2%Y2O3+0,2%CeO2 στους 1490℃, η σχετική πυκνότητα των συντηγμένων δειγμάτων μπορεί να φτάσει το 96,2%, η οποία υπερβαίνει την πυκνότητα των δειγμάτων με οποιοδήποτε οξείδιο σπάνιων γαιών Y2O3 ή CeO2 μόνο του.

Η επίδραση των La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 στην προώθηση της πυροσυσσωμάτωσης είναι καλύτερη από την προσθήκη μόνο La2O3, και η αντοχή στη φθορά είναι σαφώς βελτιωμένη. Δείχνει επίσης ότι η ανάμειξη δύο οξειδίων σπάνιων γαιών δεν είναι μια απλή προσθήκη, αλλά υπάρχει μια αλληλεπίδραση μεταξύ τους, η οποία είναι πιο ευεργετική για τη βελτίωση της πυροσυσσωμάτωσης και της απόδοσης των κεραμικών αλουμίνας, αλλά η αρχή της εφαρμογής παραμένει προς μελέτη.

Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι η προσθήκη μικτών οξειδίων σπάνιων γαιών ως βοηθητικών μέσων σύντηξης μπορεί να βελτιώσει τη μετανάστευση των υλικών, να προωθήσει τη σύντηξη κεραμικών MgO και να βελτιώσει την πυκνότητα. Ωστόσο, όταν η περιεκτικότητα σε μικτό μεταλλικό οξείδιο είναι μεγαλύτερη από 15%, η σχετική πυκνότητα μειώνεται και το ανοιχτό πορώδες αυξάνεται.

Δεύτερον, η επίδραση των οξειδίων των σπάνιων γαιών στις ιδιότητες των κεραμικών επιστρώσεων

Η υπάρχουσα έρευνα δείχνει ότι τα στοιχεία σπάνιων γαιών μπορούν να βελτιώσουν το μέγεθος των κόκκων, να αυξήσουν την πυκνότητα, να βελτιώσουν τη μικροδομή και να καθαρίσουν τη διεπαφή. Παίζει μοναδικό ρόλο στη βελτίωση της αντοχής, της σκληρότητας, της σκληρότητας, της αντοχής στη φθορά και της αντοχής στη διάβρωση των κεραμικών επιστρώσεων, γεγονός που βελτιώνει την απόδοση των κεραμικών επιστρώσεων σε κάποιο βαθμό και διευρύνει το εύρος εφαρμογής των κεραμικών επιστρώσεων.

1

Βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των κεραμικών επιστρώσεων με οξείδια σπάνιων γαιών

Τα οξείδια σπάνιων γαιών μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά τη σκληρότητα, την αντοχή σε κάμψη και την αντοχή σε εφελκυσμό των κεραμικών επιστρώσεων. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η αντοχή σε εφελκυσμό της επικάλυψης μπορεί να βελτιωθεί αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας Lao_2 ως πρόσθετο σε υλικό Al2O3+3% TiO_2, και η αντοχή σε εφελκυσμό μπορεί να φτάσει τα 27,36MPa όταν η ποσότητα του Lao_2 είναι 6,0%. Προσθέτοντας CeO2 με κλάσμα μάζας 3,0% και 6,0% στο υλικό Cr2O3, η αντοχή σε εφελκυσμό της επικάλυψης είναι μεταξύ 18~25MPa, η οποία είναι μεγαλύτερη από την αρχική 12~16MPa. Ωστόσο, όταν η περιεκτικότητα σε CeO2 είναι 9,0%, η αντοχή σε εφελκυσμό μειώνεται στα 12~15MPa.

2

Βελτίωση της αντοχής σε θερμικό σοκ της κεραμικής επίστρωσης από σπάνιες γαίες

Η δοκιμή αντοχής σε θερμικό σοκ είναι μια σημαντική δοκιμή που αντικατοπτρίζει ποιοτικά την αντοχή συγκόλλησης μεταξύ της επίστρωσης και του υποστρώματος και την αντιστοίχιση του συντελεστή θερμικής διαστολής μεταξύ της επίστρωσης και του υποστρώματος. Αντανακλά άμεσα την ικανότητα της επίστρωσης να αντιστέκεται στο ξεφλούδισμα όταν η θερμοκρασία αλλάζει εναλλάξ κατά τη χρήση και επίσης αντικατοπτρίζει την ικανότητα της επίστρωσης να αντιστέκεται στην κόπωση από μηχανικούς κραδασμούς και την ικανότητα συγκόλλησης με το υπόστρωμα από το πλάι. Επομένως, είναι επίσης ο βασικός παράγοντας για την αξιολόγηση της ποιότητας της κεραμικής επίστρωσης.

Η έρευνα δείχνει ότι η προσθήκη 3,0% CeO2 μπορεί να μειώσει το πορώδες και το μέγεθος των πόρων στην επίστρωση και να μειώσει τη συγκέντρωση τάσης στην άκρη των πόρων, βελτιώνοντας έτσι την αντοχή σε θερμικό σοκ της επίστρωσης Cr2O3. Ωστόσο, το πορώδες της κεραμικής επίστρωσης Al2O3 μειώθηκε και η αντοχή συγκόλλησης και η διάρκεια ζωής της επίστρωσης σε θερμικό σοκ αυξήθηκαν σημαντικά μετά την προσθήκη LaO2. Όταν η ποσότητα προσθήκης LaO2 είναι 6% (κλάσμα μάζας), η αντοχή της επίστρωσης σε θερμικό σοκ είναι η καλύτερη και η διάρκεια ζωής της επίστρωσης σε θερμικό σοκ μπορεί να φτάσει τις 218 φορές, ενώ η διάρκεια ζωής της επίστρωσης χωρίς LaO2 είναι μόνο 163 φορές.

3

Τα οξείδια των σπάνιων γαιών επηρεάζουν την αντοχή στη φθορά των επιστρώσεων

Τα οξείδια σπάνιων γαιών που χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της αντοχής στη φθορά των κεραμικών επιστρώσεων είναι κυρίως CeO2 και La2O3. Η εξαγωνική στρωματοποιημένη δομή τους μπορεί να επιδείξει καλή λειτουργία λίπανσης και να διατηρήσει σταθερές χημικές ιδιότητες σε υψηλή θερμοκρασία, γεγονός που μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την αντοχή στη φθορά και να μειώσει τον συντελεστή τριβής.

Η έρευνα δείχνει ότι ο συντελεστής τριβής της επίστρωσης με την κατάλληλη ποσότητα CeO2 είναι μικρός και σταθερός. Έχει αναφερθεί ότι η προσθήκη La2O3 σε επίστρωση κεραμικών με βάση το νικέλιο που ψεκάζεται με πλάσμα μπορεί προφανώς να μειώσει τη φθορά λόγω τριβής και τον συντελεστή τριβής της επίστρωσης, και ο συντελεστής τριβής είναι σταθερός με μικρές διακυμάνσεις. Η επιφάνεια φθοράς του στρώματος επένδυσης χωρίς σπάνιες γαίες παρουσιάζει σοβαρή πρόσφυση και εύθραυστη θραύση και αποφλοίωση. Ωστόσο, η επίστρωση που περιέχει σπάνιες γαίες παρουσιάζει ασθενή πρόσφυση στην φθαρμένη επιφάνεια και δεν υπάρχουν σημάδια εύθραυστης αποφλοίωσης μεγάλης επιφάνειας. Η μικροδομή της επίστρωσης με πρόσμιξη σπάνιων γαιών είναι πυκνότερη και πιο συμπαγής, και οι πόροι μειώνονται, γεγονός που μειώνει τη μέση δύναμη τριβής που ασκείται από μικροσκοπικά σωματίδια και μειώνει την τριβή και τη φθορά. Η πρόσμιξη σπάνιων γαιών μπορεί επίσης να αυξήσει την απόσταση του κρυσταλλικού επιπέδου των κεραμικών. Αυτό οδηγεί σε αλλαγή της δύναμης αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο κρυσταλλικών επιφανειών και μειώνει τον συντελεστή τριβής.

Περίληψη:

Αν και τα οξείδια σπάνιων γαιών έχουν σημειώσει μεγάλα επιτεύγματα στην εφαρμογή κεραμικών υλικών και επιστρώσεων, τα οποία μπορούν να βελτιώσουν αποτελεσματικά τη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες των κεραμικών υλικών και επιστρώσεων, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές άγνωστες ιδιότητες, ειδικά στη μείωση της τριβής και της φθοράς. Ο τρόπος με τον οποίο η αντοχή και η αντοχή στη φθορά των υλικών συνεργάζονται με τις λιπαντικές τους ιδιότητες έχει γίνει μια σημαντική κατεύθυνση που αξίζει να συζητηθεί στον τομέα της τριβολογίας.

Τηλ.: +86-21-20970332E-mail：info@shxlchem.com