Toepassing vanZeldzame aardein composietmaterialen
Zeldzame aardmetalen hebben een unieke 4f-elektronenstructuur, een groot atomair magnetisch moment, een sterke spinkoppeling en andere eigenschappen. Bij het vormen van complexen met andere elementen kan hun coördinatiegetal variëren van 6 tot 12. Zeldzame aardmetalen hebben een verscheidenheid aan kristalstructuren. De speciale fysische en chemische eigenschappen van zeldzame aardmetalen maken ze breed toepasbaar bij het smelten van hoogwaardig staal en non-ferrometalen, speciaal glas en hoogwaardige keramiek, permanente magneetmaterialen, waterstofopslagmaterialen, luminescerende en lasermaterialen, nucleaire materialen en andere toepassingen. Met de voortdurende ontwikkeling van composietmaterialen heeft de toepassing van zeldzame aardmetalen zich ook uitgebreid naar het gebied van composietmaterialen, wat brede aandacht heeft getrokken voor het verbeteren van de grensvlakeigenschappen tussen heterogene materialen.
De belangrijkste toepassingsvormen van zeldzame aarden bij de bereiding van composietmaterialen omvatten: ① het toevoegenzeldzame aardmetalenaan composietmaterialen; ② Voeg toe in de vorm vanzeldzame aardoxidenaan het composietmateriaal; ③ Polymeren gedoteerd of gebonden met zeldzame aardmetalen in polymeren worden gebruikt als matrixmaterialen in composietmaterialen. Van de bovengenoemde drie vormen van toepassing van zeldzame aardmetalen worden de eerste twee vormen meestal toegevoegd aan metaalmatrixcomposieten, terwijl de derde voornamelijk wordt toegepast op polymeermatrixcomposieten, en de keramische matrixcomposieten voornamelijk in de tweede vorm worden toegevoegd.
Zeldzame aardewerkt hoofdzakelijk op metaalmatrix- en keramische matrixcomposieten in de vorm van additieven, stabilisatoren en sinteradditieven, waardoor hun prestaties aanzienlijk worden verbeterd, de productiekosten worden verlaagd en industriële toepassing mogelijk wordt.
De toevoeging van zeldzame aardmetalen als additieven aan composietmaterialen speelt voornamelijk een rol bij het verbeteren van de interfaceprestaties van composietmaterialen en het bevorderen van de verfijning van metaalmatrixkorrels. Het werkingsmechanisme is als volgt.
① Verbeter de bevochtigbaarheid tussen de metaalmatrix en de versterkingsfase. De elektronegativiteit van zeldzame aardmetalen is relatief laag (hoe lager de elektronegativiteit van metalen, hoe actiever de elektronegativiteit van niet-metalen). La is bijvoorbeeld 1,1, Ce 1,12 en Y 1,22. De elektronegativiteit van het basismetaal Fe is 1,83, Ni 1,91 en Al 1,61. Daarom zullen zeldzame aardmetalen zich tijdens het smeltproces bij voorkeur adsorberen aan de korrelgrenzen van de metaalmatrix en de versterkingsfase, waardoor hun grensvlakenergie wordt verlaagd, de hechting van het grensvlak toeneemt, de bevochtigingshoek wordt verkleind en daarmee de bevochtigbaarheid tussen de matrix en de versterkingsfase wordt verbeterd. Onderzoek heeft aangetoond dat de toevoeging van het element La aan de aluminiummatrix de bevochtigbaarheid van AlO en vloeibaar aluminium effectief verbetert en de microstructuur van composietmaterialen verbetert.
2 Bevordert de verfijning van metaalmatrixkorrels. De oplosbaarheid van zeldzame aarden in metaalkristallen is laag, omdat de atoomstraal van zeldzame aarden groot is en de atoomstraal van de metaalmatrix relatief klein is. De intrede van zeldzame aarden met een grotere straal in het matrixrooster veroorzaakt roostervervorming, wat de systeemenergie verhoogt. Om de laagste vrije energie te behouden, kunnen zeldzame aardenatomen zich alleen verrijken richting onregelmatige korrelgrenzen, wat de vrije groei van matrixkorrels tot op zekere hoogte belemmert. Tegelijkertijd zullen de verrijkte zeldzame aarden ook andere legeringselementen adsorberen, waardoor de concentratiegradiënt van legeringselementen toeneemt, lokale onderkoeling van componenten ontstaat en het heterogene nucleatie-effect van de vloeibare metaalmatrix wordt versterkt. Bovendien kan de onderkoeling, veroorzaakt door elementaire segregatie, ook de vorming van gescheiden verbindingen bevorderen en effectieve heterogene nucleatiedeeltjes worden, wat de verfijning van de metaalmatrixkorrels bevordert.
③ Zuivering van korrelgrenzen. Door de sterke affiniteit tussen zeldzame aardmetalen en elementen zoals O, S, P, N, enz. is de standaard vrije vormingsenergie van oxiden, sulfiden, fosfiden en nitriden laag. Deze verbindingen hebben een hoog smeltpunt en een lage dichtheid. Sommige hiervan kunnen worden verwijderd door opdrijven uit de legeringsvloeistof, terwijl andere gelijkmatig verdeeld zijn in de korrel. Dit vermindert de scheiding van onzuiverheden aan de korrelgrens, waardoor de korrelgrens wordt gezuiverd en de sterkte ervan wordt verbeterd.
Er moet rekening mee worden gehouden dat zeldzame aardmetalen een hoge activiteit en een laag smeltpunt hebben. Wanneer ze aan een metaalmatrixcomposiet worden toegevoegd, moet het contact van deze metalen met zuurstof tijdens het toevoegingsproces speciaal worden gecontroleerd.
Een groot aantal praktijken heeft bewezen dat het toevoegen van zeldzame aardoxiden als stabilisatoren, sinterhulpmiddelen en dopingmodificatoren aan verschillende metaalmatrix- en keramische matrixcomposieten de sterkte en taaiheid van materialen aanzienlijk kan verbeteren, de sintertemperatuur kan verlagen en daarmee de productiekosten kan verlagen. Het belangrijkste werkingsmechanisme is als volgt.
① Als sinteradditief kan het het sinteren bevorderen en de porositeit van composietmaterialen verminderen. De toevoeging van sinteradditieven zorgt voor een vloeibare fase bij hoge temperaturen, verlaagt de sintertemperatuur van composietmaterialen, remt de ontleding van materialen bij hoge temperatuur tijdens het sinterproces en verkrijgt dichte composietmaterialen door middel van sinteren in de vloeibare fase. Dankzij de hoge stabiliteit, de geringe vluchtigheid bij hoge temperaturen en de hoge smelt- en kookpunten van zeldzame-aardoxiden kunnen ze glasfasen vormen met andere grondstoffen en het sinteren bevorderen, wat ze tot een effectief additief maakt. Tegelijkertijd kan het zeldzame-aardoxide ook een vaste oplossing vormen met de keramische matrix, wat kristaldefecten binnenin kan genereren, het rooster kan activeren en het sinteren kan bevorderen.
2 Verbeter de microstructuur en verfijn de korrelgrootte. Doordat de toegevoegde zeldzame aardoxiden zich voornamelijk aan de korrelgrenzen van de matrix bevinden en door hun grote volume, hebben zeldzame aardoxiden een hoge migratieweerstand in de structuur en verhinderen ze ook de migratie van andere ionen, waardoor de migratiesnelheid van de korrelgrenzen afneemt, korrelgroei wordt geremd en abnormale korrelgroei tijdens sinteren bij hoge temperatuur wordt voorkomen. Ze kunnen kleine en uniforme korrels produceren, wat bevorderlijk is voor de vorming van dichte structuren. Aan de andere kant, door dotering van zeldzame aardoxiden, komen ze in de glasfase van de korrelgrens terecht, waardoor de sterkte van de glasfase wordt verbeterd en zo het doel wordt bereikt om de mechanische eigenschappen van het materiaal te verbeteren.
Zeldzame aardmetalen in polymeermatrixcomposieten verbeteren voornamelijk de eigenschappen van de polymeermatrix. Zeldzame aardmetalenoxiden kunnen de thermische ontledingstemperatuur van polymeren verhogen, terwijl zeldzame aardmetalencarboxylaten de thermische stabiliteit van polyvinylchloride kunnen verbeteren. Het doteren van polystyreen met zeldzame aardmetalen kan de stabiliteit van polystyreen verbeteren en de slagvastheid en buigsterkte aanzienlijk verhogen.
Plaatsingstijd: 26-04-2023