Aplicació deTerra raraen Materials Compostos
Els elements de terres rares tenen una estructura electrònica 4f única, un moment magnètic atòmic elevat, un fort acoblament d'espín i altres característiques. Quan es formen complexos amb altres elements, el seu nombre de coordinació pot variar de 6 a 12. Els compostos de terres rares tenen una varietat d'estructures cristal·lines. Les propietats físiques i químiques especials de les terres rares les fan àmpliament utilitzades en la fosa d'acer d'alta qualitat i metalls no ferrosos, vidre especial i ceràmica d'alt rendiment, materials magnètics permanents, materials d'emmagatzematge d'hidrogen, materials luminescents i làser, materials nuclears i altres camps. Amb el desenvolupament continu dels materials compostos, l'aplicació de les terres rares també s'ha expandit al camp dels materials compostos, atraient una àmplia atenció per millorar les propietats d'interfície entre materials heterogenis.
Les principals formes d'aplicació de terres rares en la preparació de materials compostos inclouen: ① afegirmetalls de terres raresa materials compostos; ② Afegir en forma deòxids de terres raresal material compost; ③ Els polímers dopats o units amb metalls de terres rares en polímers s'utilitzen com a materials matricials en materials compostos. Entre les tres formes anteriors d'aplicació de terres rares, les dues primeres formes s'afegeixen principalment a compostos de matriu metàl·lica, mentre que la tercera s'aplica principalment a compostos de matriu polimèrica, i els compostos de matriu ceràmica s'afegeixen principalment en la segona forma.
Terres raresActua principalment sobre compostos de matriu metàl·lica i matriu ceràmica en forma d'additius, estabilitzadors i additius de sinterització, millorant considerablement el seu rendiment, reduint els costos de producció i fent possible la seva aplicació industrial.
L'addició d'elements de terres rares com a additius en materials compostos juga principalment un paper en la millora del rendiment de la interfície dels materials compostos i en la promoció del refinament dels grans de la matriu metàl·lica. El mecanisme d'acció és el següent.
① Millorar la humectabilitat entre la matriu metàl·lica i la fase de reforç. L'electronegativitat dels elements de terres rares és relativament baixa (com més petita sigui l'electronegativitat dels metalls, més activa serà l'electronegativitat dels no metalls). Per exemple, La és 1,1, Ce és 1,12 i Y és 1,22. L'electronegativitat del metall base comú Fe és 1,83, Ni és 1,91 i Al és 1,61. Per tant, els elements de terres rares s'adsorbiran preferentment als límits de gra de la matriu metàl·lica i la fase de reforç durant el procés de fusió, reduint la seva energia d'interfície, augmentant el treball d'adhesió de la interfície, reduint l'angle de humectació i millorant així la humectabilitat entre la matriu i la fase de reforç. La investigació ha demostrat que l'addició de l'element La a la matriu d'alumini millora eficaçment la humectabilitat de l'AlO i el líquid d'alumini, i millora la microestructura dels materials compostos.
② Promoure el refinament dels grans de la matriu metàl·lica. La solubilitat de les terres rares en cristalls metàl·lics és petita, ja que el radi atòmic dels elements de terres rares és gran i el radi atòmic de la matriu metàl·lica és relativament petit. L'entrada d'elements de terres rares amb un radi més gran a la xarxa matricial provocarà una distorsió de la xarxa, cosa que augmentarà l'energia del sistema. Per mantenir l'energia lliure més baixa, els àtoms de terres rares només es poden enriquir cap a límits de gra irregulars, cosa que dificulta en certa mesura el creixement lliure dels grans de la matriu. Al mateix temps, els elements de terres rares enriquits també adsorbiran altres elements d'aliatge, augmentant el gradient de concentració dels elements d'aliatge, provocant un subrefredament dels components locals i millorant l'efecte de nucleació heterogènia de la matriu metàl·lica líquida. A més, el subrefredament causat per la segregació elemental també pot promoure la formació de compostos segregats i convertir-se en partícules de nucleació heterogènies efectives, promovent així el refinament dels grans de la matriu metàl·lica.
③ Purificar els límits del gra. A causa de la forta afinitat entre els elements de terres rares i elements com l'O, S, P, N, etc., l'energia lliure estàndard de formació d'òxids, sulfurs, fosfurs i nitrurs és baixa. Aquests compostos tenen un punt de fusió alt i una baixa densitat, alguns dels quals es poden eliminar flotant des del líquid d'aliatge, mentre que d'altres es distribueixen uniformement dins del gra, reduint la segregació d'impureses al límit del gra, purificant així el límit del gra i millorant la seva resistència.
Cal destacar que, a causa de l'alta activitat i el baix punt de fusió dels metalls de terres rares, quan s'afegeixen a un compost de matriu metàl·lica, cal controlar especialment el seu contacte amb l'oxigen durant el procés d'addició.
Un gran nombre de pràctiques han demostrat que l'addició d'òxids de terres rares com a estabilitzadors, ajudes de sinterització i modificadors de dopatge a diferents compostos de matriu metàl·lica i matriu ceràmica pot millorar considerablement la resistència i la tenacitat dels materials, reduir la seva temperatura de sinterització i, per tant, reduir els costos de producció. El principal mecanisme de la seva acció és el següent.
① Com a additiu de sinterització, pot promoure la sinterització i reduir la porositat en materials compostos. L'addició d'additius de sinterització té com a objectiu generar una fase líquida a altes temperatures, reduir la temperatura de sinterització dels materials compostos, inhibir la descomposició a alta temperatura dels materials durant el procés de sinterització i obtenir materials compostos densos mitjançant la sinterització en fase líquida. A causa de l'alta estabilitat, la feble volatilitat a alta temperatura i els alts punts de fusió i ebullició dels òxids de terres rares, poden formar fases vítries amb altres matèries primeres i promoure la sinterització, convertint-los en un additiu eficaç. Al mateix temps, l'òxid de terres rares també pot formar una solució sòlida amb la matriu ceràmica, que pot generar defectes cristal·lins a l'interior, activar la xarxa i promoure la sinterització.
② Millorar la microestructura i refinar la mida del gra. A causa del fet que els òxids de terres rares afegits existeixen principalment als límits de gra de la matriu, i a causa del seu gran volum, els òxids de terres rares tenen una alta resistència a la migració a l'estructura i també dificulten la migració d'altres ions, reduint així la taxa de migració dels límits de gra, inhibint el creixement del gra i dificultant el creixement anormal dels grans durant la sinterització a alta temperatura. Poden obtenir grans petits i uniformes, cosa que afavoreix la formació d'estructures denses; D'altra banda, en dopar els òxids de terres rares, entren a la fase vítria del límit de gra, millorant la resistència de la fase vítria i aconseguint així l'objectiu de millorar les propietats mecàniques del material.
Els elements de terres rares en els compostos de matriu polimèrica els afecten principalment millorant les propietats de la matriu polimèrica. Els òxids de terres rares poden augmentar la temperatura de descomposició tèrmica dels polímers, mentre que els carboxilats de terres rares poden millorar l'estabilitat tèrmica del clorur de polivinil. El dopatge de poliestirè amb compostos de terres rares pot millorar l'estabilitat del poliestirè i augmentar significativament la seva resistència a l'impacte i a la flexió.
Data de publicació: 26 d'abril de 2023