Примена ретке земље у композитним материјалима

Примена одРаре Еартху композитним материјалима
Елементи ретких земаља имају јединствену 4ф електронску структуру, велики атомски магнетни момент, јаку спинску спрегу и друге карактеристике. Приликом формирања комплекса са другим елементима, њихов координациони број може да варира од 6 до 12. Једињења ретких земаља имају различите кристалне структуре. Посебна физичко-хемијска својства ретких земаља чине их широко примењеним у топљењу висококвалитетног челика и обојених метала, специјалног стакла и керамике високих перформанси, материјала са трајним магнетима, материјала за складиштење водоника, луминисцентних и ласерских материјала, нуклеарних материјала , и друга поља. Са континуираним развојем композитних материјала, примена ретких земаља се такође проширила на област композитних материјала, привлачећи широку пажњу у побољшању својстава интерфејса између хетерогених материјала.

Главни облици примене ретких земаља у припреми композитних материјала укључују: ① додавањеретки земни металина композитне материјале; ② Додајте у обликуоксиди ретких земаљана композитни материјал; ③ Полимери допирани или везани ретким земним металима у полимерима се користе као матрични материјали у композитним материјалима. Међу три наведена облика примене ретких земаља, прва два облика се углавном додају композиту металне матрице, док се трећи углавном примењује на полимерне матричне композите, а керамички матрични композит се углавном додаје у другом облику.

Ретка земљауглавном делује на металну матрицу и керамичку матричну композиту у облику адитива, стабилизатора и адитива за синтеровање, значајно побољшавајући њихове перформансе, смањујући трошкове производње и омогућавајући његову индустријску примену.

Додавање ретких земних елемената као адитива у композитним материјалима углавном игра улогу у побољшању перформанси интерфејса композитних материјала и промовисању префињености зрна металне матрице. Механизам деловања је следећи.

① Побољшајте влажење између металне матрице и фазе за ојачавање. Електронегативност реткоземних елемената је релативно ниска (што је мања електронегативност метала, то је активнија електронегативност неметала). На пример, Ла је 1,1, Це је 1,12, а И је 1,22. Електронегативност обичног основног метала Фе је 1,83, Ни је 1,91, а Ал је 1,61. Према томе, реткоземни елементи ће се преференцијално адсорбовати на границама зрна металне матрице и фазе ојачања током процеса топљења, смањујући њихову енергију интерфејса, повећавајући рад адхезије на интерфејсу, смањујући угао влажења и на тај начин побољшавајући квашење између матрице. и фаза појачања. Истраживања су показала да додавање Ла елемента у алуминијумску матрицу ефикасно побољшава квашење АлО и алуминијумске течности и побољшава микроструктуру композитних материјала.

② Промовишите префињеност зрна металне матрице. Растворљивост ретке земље у металном кристалу је мала, јер је атомски радијус реткоземних елемената велики, а атомски радијус металне матрице је релативно мали. Улазак реткоземних елемената већег радијуса у матричну решетку ће изазвати дисторзију решетке, што ће повећати енергију система. Да би одржали најнижу слободну енергију, атоми ретких земаља могу да обогате само према неправилним границама зрна, што у извесној мери омета слободан раст зрна матрикса. У исто време, обогаћени реткоземни елементи ће такође адсорбовати друге елементе легуре, повећавајући градијент концентрације легираних елемената, изазивајући подхлађење локалне компоненте и појачавајући ефекат хетерогене нуклеације матрице течног метала. Поред тога, недовољно хлађење изазвано елементарном сегрегацијом такође може да подстакне формирање сегрегираних једињења и да постану ефикасне хетерогене честице нуклеације, чиме се промовише рафинирање зрна металне матрице.

③ Пречистите границе зрна. Због снажног афинитета између реткоземних елемената и елемената као што су О, С, П, Н, итд., стандардна слободна енергија формирања за оксиде, сулфиде, фосфиде и нитриде је ниска. Ова једињења имају високу тачку топљења и малу густину, од којих се нека могу уклонити испливавањем из течности легуре, док су друга равномерно распоређена унутар зрна, смањујући сегрегацију нечистоћа на граници зрна, чиме се пречишћавају границе зрна и побољшање његове снаге.

Треба напоменути да, због високе активности и ниске тачке топљења ретких земних метала, када се додају у композит металне матрице, њихов контакт са кисеоником треба посебно контролисати током процеса додавања.

Велики број пракси је доказао да додавање оксида ретких земаља као стабилизатора, помоћних средстава за синтеровање и допинг модификатора различитим металним матрицама и керамичким матричним композитима може у великој мери побољшати чврстоћу и жилавост материјала, смањити њихову температуру синтеровања, а самим тим и смањити трошкове производње. Главни механизам његовог деловања је следећи.

① Као адитив за синтеровање, може промовисати синтеровање и смањити порозност композитних материјала. Додавање адитива за синтеровање је стварање течне фазе на високим температурама, смањење температуре синтеровања композитних материјала, инхибирање високотемпературне разградње материјала током процеса синтеровања и добијање густих композитних материјала синтеровањем течне фазе. Због високе стабилности, слабе испарљивости при високим температурама и високих тачака топљења и кључања оксида ретких земаља, они могу да формирају стаклене фазе са другим сировинама и подстичу синтеровање, што их чини ефикасним додатком. Истовремено, оксид ретких земаља такође може да формира чврсти раствор са керамичком матрицом, која може створити кристалне дефекте унутра, активирати решетку и промовисати синтеровање.

② Побољшати микроструктуру и побољшати величину зрна. Због чињенице да додати оксиди ретких земаља углавном постоје на границама зрна матрице, а због своје велике запремине, оксиди ретких земаља имају високу отпорност на миграцију у структури, а такође ометају миграцију других јона, чиме се смањује брзина миграције граница зрна, инхибирање раста зрна и ометање абнормалног раста зрна током високотемпературног синтеровања. Могу да добију ситна и једнолична зрна, што погодује формирању густих структура; С друге стране, допирањем оксида ретких земаља, они улазе у граничну стаклену фазу зрна, побољшавајући чврстоћу стаклене фазе и на тај начин постижући циљ побољшања механичких својстава материјала.

Ретки земни елементи у композитима полимерне матрице углавном утичу на њих побољшавајући својства полимерне матрице. Оксиди ретких земаља могу повећати температуру термичког распадања полимера, док ретки земни карбоксилати могу побољшати термичку стабилност поливинилхлорида. Допинг полистирена са једињењима ретких земаља може побољшати стабилност полистирена и значајно повећати његову ударну чврстоћу и чврстоћу на савијање.