Aplicació de terres rares en materials compostos

Aplicació deTerra raraen Materials compostos
Els elements de terres rares tenen una estructura electrònica 4f única, un gran moment magnètic atòmic, un fort acoblament de gir 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 fèrrics, vidre especial i ceràmica d'alt rendiment, materials d'imants permanents, materials d'emmagatzematge d'hidrogen, materials luminiscents i làser, materials nuclears. , i altres camps. Amb el desenvolupament continu de materials compostos, l'aplicació de terres rares també s'ha expandit al camp dels materials compostos, atraient una atenció generalitzada en la millora de les propietats d'interfície entre materials heterogenis.

Les principals formes d'aplicació de terres rares en la preparació de materials compostos inclouen: ① addiciómetalls de terres raresals materials compostos; ② Afegiu 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 de matriu en materials compostos. Entre les tres formes anteriors d'aplicació de terres rares, les dues primeres formes s'afegeixen principalment al compost de matriu metàl·lica, mentre que la tercera s'aplica principalment a compostos de matriu de polímer i el compost de matriu ceràmica s'afegeix principalment en la segona forma.

Terres raresActua principalment sobre la matriu metàl·lica i el compost de matriu ceràmica en forma d'additius, estabilitzadors i additius de sinterització, millorant molt 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 fosa, reduint la seva energia d'interfície, augmentant el treball d'adhesió de la interfície, reduint l'angle d'humectació i, per tant, millorant la humectabilitat entre la matriu. i 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 matriu metàl·lica. La solubilitat de les terres rares en el cristall metàl·lic és petita, perquè 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 gelosia de la matriu provocarà una distorsió de la gelosia, la qual cosa augmentarà l'energia del sistema. Per mantenir l'energia lliure més baixa, els àtoms de terres rares només poden enriquir-se cap a límits irregulars de gra, que en certa mesura dificulten 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 refredament dels components locals i millorant l'efecte de nucleació heterogeni de la matriu metàl·lica líquida. A més, el baix refredament causat per la segregació elemental també pot promoure la formació de compostos segregats i esdevenir partícules de nucleació heterogènies efectives, afavorint així el refinament dels grans de la matriu metàl·lica.

③ Purifiqueu els límits del gra. A causa de la forta afinitat entre elements de terres rares i elements com 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 elevat i una densitat baixa, alguns dels quals es poden eliminar flotant del líquid d'aliatge, mentre que 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 força.

Cal tenir en compte que, a causa de l'alta activitat i el baix punt de fusió dels metalls de terres rares, quan s'afegeixen al compost de matriu metàl·lica, el seu contacte amb l'oxigen s'ha de controlar especialment 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 composites 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 mecanisme principal de la seva acció és el següent.

① Com a additiu de sinterització, pot promoure la sinterització i reduir la porositat dels materials compostos. L'addició d'additius de sinterització és 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 de vidre 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 de cristall a l'interior, activar la gelosia i promoure la sinterització.

② Millora la microestructura i perfecciona 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 del 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, la qual cosa afavoreix la formació d'estructures denses; D'altra banda, dopant els òxids de terres rares, entren a la fase de vidre del límit del gra, millorant la resistència de la fase de vidre i aconseguint així l'objectiu de millorar les propietats mecàniques del material.

Els elements de terres rares dels 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. Dopar el poliestirè amb compostos de terres rares pot millorar l'estabilitat del poliestirè i augmentar significativament la seva resistència a l'impacte i la seva resistència a la flexió.