Toepassing vanZeldzame aardein composietmaterialen
Zeldzame aardelementen hebben een unieke 4f-elektronische structuur, een groot atomair magnetisch moment, een sterke spinkoppeling en andere kenmerken. Bij het vormen van complexen met andere elementen kan hun coördinatiegetal variëren van 6 tot 12. Zeldzame aardverbindingen hebben een verscheidenheid aan kristalstructuren. De speciale fysische en chemische eigenschappen van zeldzame aardmetalen zorgen ervoor dat ze op grote schaal worden gebruikt bij het smelten van hoogwaardig staal en non-ferrometalen, speciaal glas en hoogwaardige keramiek, permanente magneetmaterialen, waterstofopslagmaterialen, luminescerende en lasermaterialen, nucleaire materialen en andere velden. Met de voortdurende ontwikkeling van composietmaterialen heeft de toepassing van zeldzame aardmetalen zich ook uitgebreid naar het gebied van composietmaterialen, waardoor brede aandacht wordt getrokken bij het verbeteren van de grensvlakeigenschappen tussen heterogene materialen.
De belangrijkste toepassingsvormen van zeldzame aardmetalen bij de bereiding van composietmaterialen zijn: ① toevoegenzeldzame aardmetalentot composietmaterialen; ② Voeg toe in de vorm vanzeldzame aardoxidenaan het composietmateriaal; ③ Polymeren die zijn 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 metaalmatrixcomposiet, terwijl de derde voornamelijk wordt toegepast op polymeermatrixcomposieten, en het keramische matrixcomposiet voornamelijk wordt toegevoegd in de tweede vorm.
Zeldzame aardewerkt voornamelijk op metaalmatrix en keramische matrixcomposiet in de vorm van additieven, stabilisatoren en sinteradditieven, waardoor hun prestaties aanzienlijk worden verbeterd, de productiekosten worden verlaagd en de industriële toepassing ervan mogelijk wordt gemaakt.
De toevoeging van zeldzame aardelementen als additieven in composietmaterialen speelt voornamelijk een rol bij het verbeteren van de grensvlakprestaties van composietmaterialen en het bevorderen van de verfijning van metaalmatrixkorrels. Het werkingsmechanisme is als volgt.
① Verbeter de bevochtigbaarheid tussen de metaalmatrix en de versterkende fase. De elektronegativiteit van zeldzame aardelementen is relatief laag (hoe kleiner de elektronegativiteit van metalen, hoe actiever de elektronegativiteit van niet-metalen). La is bijvoorbeeld 1,1, Ce is 1,12 en Y is 1,22. De elektronegativiteit van het gewone basismetaal Fe is 1,83, Ni is 1,91 en Al is 1,61. Daarom zullen zeldzame aardelementen bij voorkeur adsorberen aan de korrelgrenzen van de metaalmatrix en de versterkingsfase tijdens het smeltproces, waardoor hun grensvlakenergie wordt verminderd, het adhesiewerk van het grensvlak wordt vergroot, de bevochtigingshoek wordt verkleind en daardoor de bevochtigbaarheid tussen de matrix wordt verbeterd. en versterkingsfase. Onderzoek heeft aangetoond dat de toevoeging van het La-element aan de aluminiummatrix de bevochtigbaarheid van AlO en aluminiumvloeistof effectief verbetert, en de microstructuur van composietmaterialen verbetert.
② Bevorder de verfijning van metaalmatrixkorrels. De oplosbaarheid van zeldzame aardmetalen in metaalkristallen is klein, omdat de atomaire straal van zeldzame aardelementen groot is en de atomaire straal van de metaalmatrix relatief klein is. Het binnendringen van zeldzame aardmetalen met een grotere straal in het matrixrooster zal roostervervorming veroorzaken, waardoor de systeemenergie zal toenemen. Om de laagste vrije energie te behouden, kunnen zeldzame aardatomen zich alleen verrijken in de richting van onregelmatige korrelgrenzen, wat tot op zekere hoogte de vrije groei van matrixkorrels belemmert. Tegelijkertijd zullen de verrijkte zeldzame aardelementen ook andere legeringselementen adsorberen, waardoor de concentratiegradiënt van legeringselementen toeneemt, lokale onderkoeling van de componenten ontstaat en het heterogene kiemvormingseffect van de vloeibare metaalmatrix wordt versterkt. Bovendien kan de onderkoeling veroorzaakt door elementaire segregatie ook de vorming van gescheiden verbindingen bevorderen en effectieve heterogene kernvormingsdeeltjes worden, waardoor de verfijning van de metaalmatrixkorrels wordt bevorderd.
③ Korrelgrenzen zuiveren. Vanwege de sterke affiniteit tussen zeldzame aardelementen en elementen zoals O, S, P, N, enz., is de standaard vrije vormingsenergie voor oxiden, sulfiden, fosfiden en nitriden laag. Deze verbindingen hebben een hoog smeltpunt en een lage dichtheid, waarvan sommige kunnen worden verwijderd door uit de legeringsvloeistof te drijven, terwijl andere gelijkmatig in de korrel zijn verdeeld, waardoor de segregatie van onzuiverheden aan de korrelgrens wordt verminderd, waardoor de korrelgrens wordt gezuiverd en het verbeteren van zijn kracht.
Opgemerkt moet worden dat, vanwege de hoge activiteit en het lage smeltpunt van zeldzame aardmetalen, wanneer ze worden toegevoegd aan metaalmatrixcomposiet, hun contact met zuurstof speciaal moet worden gecontroleerd tijdens het toevoegingsproces.
Een groot aantal praktijken heeft bewezen dat het toevoegen van zeldzame aardoxides als stabilisatoren, sinterhulpmiddelen en doteringsmodificatoren aan verschillende metaalmatrixen en keramische matrixcomposieten de sterkte en taaiheid van materialen aanzienlijk kan verbeteren, de sintertemperatuur ervan kan verlagen en zo de productiekosten kan verlagen. Het belangrijkste werkingsmechanisme is als volgt.
① Als sinteradditief kan het het sinteren bevorderen en de porositeit in composietmaterialen verminderen. De toevoeging van sinteradditieven is bedoeld om een vloeibare fase bij hoge temperaturen te genereren, de sintertemperatuur van composietmaterialen te verlagen, de ontleding bij hoge temperatuur van materialen tijdens het sinterproces te remmen en dichte composietmaterialen te verkrijgen door middel van sinteren in de vloeibare fase. Vanwege de hoge stabiliteit, de zwakke vluchtigheid bij hoge temperaturen en de hoge smelt- en kookpunten van zeldzame aardoxiden, kunnen ze glasfasen vormen met andere grondstoffen en het sinteren bevorderen, waardoor ze een effectief additief worden. Tegelijkertijd kan het zeldzame aardoxide ook een vaste oplossing vormen met de keramische matrix, die binnenin kristaldefecten kan veroorzaken, het rooster kan activeren en het sinteren kan bevorderen.
② Verbeter de microstructuur en verfijn de korrelgrootte. Vanwege het feit dat de toegevoegde zeldzame aardoxides voornamelijk voorkomen aan de korrelgrenzen van de matrix, en vanwege hun grote volume, hebben zeldzame aardoxides een hoge migratieweerstand in de structuur en belemmeren ze ook de migratie van andere ionen, waardoor de migratiesnelheid van korrelgrenzen, waardoor de korrelgroei wordt geremd en de abnormale groei van korrels tijdens sinteren bij hoge temperaturen wordt belemmerd. Ze kunnen kleine en uniforme korrels verkrijgen, wat bevorderlijk is voor de vorming van dichte structuren; Aan de andere kant komen ze, door zeldzame aardoxides te doteren, in de korrelgrensglasfase 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 aardelementen in polymeermatrixcomposieten beïnvloeden deze voornamelijk door de eigenschappen van de polymeermatrix te verbeteren. Zeldzame aardoxiden kunnen de thermische ontledingstemperatuur van polymeren verhogen, terwijl zeldzame aardcarboxylaten de thermische stabiliteit van polyvinylchloride kunnen verbeteren. Het doteren van polystyreen met zeldzame aardverbindingen kan de stabiliteit van polystyreen verbeteren en de slagsterkte en buigsterkte aanzienlijk vergroten.
Posttijd: 26 april 2023