ПрименаРетка земљау композитним материјалима
Реткоземни елементи имају јединствену 4f електронску структуру, велики атомски магнетни момент, јако спинско спрезање и друге карактеристике. Приликом формирања комплекса са другим елементима, њихов координациони број може варирати од 6 до 12. Једињења ретких земаља имају разноврсне кристалне структуре. Посебна физичка и хемијска својства ретких земаља чине их широко коришћеним у топљењу висококвалитетног челика и обојених метала, специјалног стакла и високоперформансне керамике, материјала са сталним магнетима, материјала за складиштење водоника, луминесцентних и ласерских материјала, нуклеарних материјала и другим областима. Са континуираним развојем композитних материјала, примена ретких земаља се проширила и на област композитних материјала, привлачећи широку пажњу у побољшању својстава међуповршине између хетерогених материјала.
Главни облици примене ретких земних елемената у припреми композитних материјала укључују: ① додавањеретки земни металикомпозитним материјалима; ② Додати у обликуоксиди ретких земаљакомпозитном материјалу; ③ Полимери допирани или везани реткоземним металима у полимерима користе се као матрични материјали у композитним материјалима. Међу горе наведена три облика примене ретких земаља, прва два облика се углавном додају металним матричним композитима, док се трећи углавном примењује на полимерне матричне композите, а керамички матрични композит се углавном додаје у другом облику.
Ретка земљауглавном делује на металне матрице и керамичке матричне композите у облику адитива, стабилизатора и адитива за синтеровање, значајно побољшавајући њихове перформансе, смањујући трошкове производње и омогућавајући његову индустријску примену.
Додавање елемената ретких земаља као адитива у композитним материјалима углавном игра улогу у побољшању перформанси међуповршинске површине композитних материјала и промоцији рафинирања зрна металне матрице. Механизам деловања је следећи.
① Побољшати квасивост између металне матрице и армирајуће фазе. Електронегативност елемената ретких земаља је релативно ниска (што је мања електронегативност метала, то је активнија електронегативност неметала). На пример, La је 1,1, Ce је 1,12, а Y је 1,22. Електронегативност уобичајеног основног метала Fe је 1,83, Ni је 1,91, а Al је 1,61. Стога ће се елементи ретких земаља преференцијално адсорбовати на границама зрна металне матрице и армирајуће фазе током процеса топљења, смањујући њихову енергију на граници, повећавајући рад адхезије на граници, смањујући угао квашења и тиме побољшавајући квасивост између матрице и армирајуће фазе. Истраживања су показала да додавање елемента La у алуминијумску матрицу ефикасно побољшава квасивост Al₂O₄ и течног алуминијума и побољшава микроструктуру композитних материјала.
② Подстиче рафинирање зрна металне матрице. Растворљивост ретких земаља у металном кристалу је мала, јер је атомски радијус елемената ретких земаља велики, а атомски радијус металне матрице релативно мали. Улазак елемената ретких земаља са већим радијусом у решетку матрице изазваће изобличење решетке, што ће повећати енергију система. Да би се одржала најнижа слободна енергија, атоми ретких земаља могу се обогаћивати само према неправилним границама зрна, што донекле омета слободан раст зрна матрице. Истовремено, обогаћени елементи ретких земаља ће такође адсорбовати друге елементе легуре, повећавајући градијент концентрације елемената легуре, узрокујући локално потхлађивање компоненти и појачавајући ефекат хетерогене нуклеације течне металне матрице. Поред тога, потхлађивање изазвано сегрегацијом елемената такође може подстаћи стварање сегрегираних једињења и постати ефикасне хетерогене нуклеационе честице, чиме се подстиче рафинирање зрна металне матрице.
③ Пречишћавање граница зрна. Због јаког афинитета између елемената ретких земаља и елемената као што су O, S, P, N итд., стандардна слободна енергија формирања за оксиде, сулфиде, фосфиде и нитриде је ниска. Ова једињења имају високу тачку топљења и ниску густину, од којих се нека могу уклонити испливањем из течности легуре, док су друга равномерно распоређена унутар зрна, смањујући сегрегацију нечистоћа на граници зрна, чиме се пречишћава граница зрна и побољшава њена чврстоћа.
Треба напоменути да, због високе активности и ниске тачке топљења ретких земних метала, када се додају у композит металне матрице, њихов контакт са кисеоником мора бити посебно контролисан током процеса додавања.
Велики број пракси је доказао да додавање оксида ретких земаља као стабилизатора, помоћних средстава за синтеровање и модификатора допирања различитим металним матрицама и керамичким матрицама може значајно побољшати чврстоћу и жилавост материјала, смањити њихову температуру синтеровања и тиме смањити трошкове производње. Главни механизам његовог деловања је следећи.
① Као адитив за синтеровање, може подстаћи синтеровање и смањити порозност композитних материјала. Додавање адитива за синтеровање служи за стварање течне фазе на високим температурама, смањење температуре синтеровања композитних материјала, инхибирање разлагања материјала на високим температурама током процеса синтеровања и добијање густих композитних материјала синтеровањем у течној фази. Због високе стабилности, слабе испарљивости на високим температурама и високих тачака топљења и кључања оксида ретких земаља, они могу формирати стаклене фазе са другим сировинама и подстаћи синтеровање, што их чини ефикасним адитивом. Истовремено, оксид ретких земаља може формирати и чврсти раствор са керамичком матрицом, што може створити кристалне дефекте унутра, активирати решетку и подстаћи синтеровање.
② Побољшати микроструктуру и прецизирати величину зрна. Због чињенице да се додати оксиди ретких земаља углавном налазе на границама зрна матрице и због њихове велике запремине, оксиди ретких земаља имају висок отпор миграцији у структури, а такође ометају миграцију других јона, чиме се смањује брзина миграције граница зрна, инхибира раст зрна и спречава абнормални раст зрна током синтеровања на високим температурама. Могу се добити мала и уједначена зрна, што погодује формирању густих структура; С друге стране, допирањем оксида ретких земаља, они улазе у стаклену фазу граница зрна, побољшавајући чврстоћу стаклене фазе и тиме постижући циљ побољшања механичких својстава материјала.
Реткоземни елементи у полимерним матричним композитима углавном утичу на њих побољшањем својстава полимерне матрице. Оксиди ретких земаља могу повећати температуру термичког разлагања полимера, док карбоксилати ретких земаља могу побољшати термичку стабилност поливинилхлорида. Допирање полистирена једињењима ретких земаља може побољшати стабилност полистирена и значајно повећати његову ударну чврстоћу и чврстоћу на савијање.
Време објаве: 26. април 2023.