Wat is de invloed van zeldzame aardoxiden in keramische coatings?

Keramiek, metaal en polymeer worden genoemd als de drie belangrijkste vaste materialen. Keramiek heeft vele uitstekende eigenschappen, zoals hoge temperatuurbestendigheid, corrosiebestendigheid, slijtvastheid, enz., omdat de atomaire bindingswijze van keramiek een ionische binding, covalente binding of gemengde ion-covalente binding met een hoge bindingsenergie is. Keramische coatings kunnen het uiterlijk, de structuur en de prestaties van het buitenoppervlak van het substraat veranderen. Coating-substraatcomposieten genieten de voorkeur vanwege hun nieuwe prestaties. Het combineert op organische wijze de oorspronkelijke eigenschappen van het substraat met de hoge temperatuurbestendigheid, hoge slijtvastheid en hoge corrosiebestendigheid van keramische materialen en benut de uitgebreide voordelen van beide soorten materialen volledig. Daarom wordt het veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, luchtvaart, defensie, chemische industrie en andere industrieën.

Zeldzame aardmetalen worden ook wel de "schatkamer" van nieuwe materialen genoemd vanwege hun unieke 4f-elektronische structuur en fysische en chemische eigenschappen. Zuivere zeldzame aardmetalen worden echter zelden direct in onderzoek gebruikt; zeldzame aardverbindingen worden het meest gebruikt. De meest voorkomende verbindingen zijn CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS en zeldzame aardferrosilicium. Deze zeldzame aardverbindingen kunnen de structuur en eigenschappen van keramische materialen en keramische coatings verbeteren.

Toepassing van zeldzame aardoxiden in keramische materialen

Het toevoegen van zeldzame aardmetalen als stabilisatoren en sinterhulpmiddelen aan verschillende keramische materialen kan de sintertemperatuur verlagen, de sterkte en taaiheid van sommige structurele keramische materialen verbeteren en zo de productiekosten verlagen. Tegelijkertijd spelen zeldzame aardmetalen ook een zeer belangrijke rol in halfgeleidergassensoren, microgolfmedia, piëzo-elektrische keramiek en andere functionele keramiek. Het onderzoek wees uit dat het toevoegen van twee of meer zeldzame aardmetalen aan aluminiumoxidekeramiek beter is dan het toevoegen van één zeldzame aardmetalenoxide aan aluminiumoxidekeramiek. Na een optimalisatietest heeft Y2O3 + CeO2 het beste effect. Wanneer 0,2% Y2O3 + 0,2% CeO2 wordt toegevoegd bij 1490 ℃, kan de relatieve dichtheid van gesinterde monsters 96,2% bereiken, wat de dichtheid van monsters met alleen Y2O3 of CeO2 als zeldzame aardmetalenoxide overtreft.

Het effect van La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 op het bevorderen van sinteren is beter dan wanneer alleen La2O3 wordt toegevoegd, en de slijtvastheid is duidelijk verbeterd. Het toont ook aan dat het mengen van twee zeldzame aardoxiden geen simpele toevoeging is, maar dat er een interactie tussen beide plaatsvindt, wat gunstiger is voor het sinteren en de prestatieverbetering van aluminiumoxidekeramiek. Het principe hiervan moet echter nog worden onderzocht.

Bovendien is gebleken dat de toevoeging van gemengde zeldzame aardmetaaloxiden als sinterhulpmiddel de migratie van materialen kan verbeteren, het sinteren van MgO-keramiek kan bevorderen en de dichtheid kan verhogen. Wanneer het gehalte aan gemengde metaaloxiden echter meer dan 15% bedraagt, neemt de relatieve dichtheid af en neemt de open porositeit toe.

Ten tweede, de invloed van zeldzame aardoxiden op de eigenschappen van keramische coatings

Bestaand onderzoek toont aan dat zeldzame aardmetalen de korrelgrootte kunnen verfijnen, de dichtheid kunnen verhogen, de microstructuur kunnen verbeteren en de interface kunnen zuiveren. Ze spelen een unieke rol bij het verbeteren van de sterkte, taaiheid, hardheid, slijtvastheid en corrosiebestendigheid van keramische coatings, wat de prestaties van keramische coatings aanzienlijk verbetert en het toepassingsbereik ervan verbreedt.

1

Verbetering van de mechanische eigenschappen van keramische coatings door zeldzame aardoxiden

Zeldzame aardoxiden kunnen de hardheid, buigsterkte en treksterkte van keramische coatings aanzienlijk verbeteren. De experimentele resultaten tonen aan dat de treksterkte van de coating effectief kan worden verbeterd door Lao _ 2 als additief te gebruiken in Al2O3 + 3% TiO _ 2 materiaal, en de treksterkte kan 27,36 MPa bereiken wanneer de hoeveelheid Lao _ 2 6,0% is. Door CeO2 met een massafractie van 3,0% en 6,0% toe te voegen aan Cr2O3 materiaal, ligt de treksterkte van de coating tussen 18 en 25 MPa, wat hoger is dan de oorspronkelijke 12 tot 16 MPa. Wanneer het CeO2-gehalte echter 9,0% is, neemt de treksterkte af tot 12 tot 15 MPa.

2

Verbetering van de thermische schokbestendigheid van keramische coatings door zeldzame aardmetalen

De thermische schokbestendigheidstest is een belangrijke test om de hechtsterkte tussen de coating en het substraat en de thermische uitzettingscoëfficiënt tussen de coating en het substraat kwalitatief weer te geven. De test geeft direct weer in hoeverre de coating bestand is tegen afbladderen bij wisselende temperatuurveranderingen tijdens gebruik, en ook in hoeverre de coating bestand is tegen mechanische schokvermoeidheid en de hechting met het substraat vanaf de zijkant. Daarom is het ook de belangrijkste factor om de kwaliteit van de keramische coating te beoordelen.

Uit onderzoek blijkt dat de toevoeging van 3,0% CeO2 de porositeit en poriegrootte van de coating kan verminderen en de spanningsconcentratie aan de rand van de poriën kan verminderen, waardoor de thermische schokbestendigheid van de Cr2O3-coating verbetert. De porositeit van de keramische Al2O3-coating nam echter af en de hechtsterkte en de thermische schokbestendigheid van de coating namen aanzienlijk toe na toevoeging van LaO2. Bij een toegevoegde hoeveelheid LaO2 van 6% (massafractie) is de thermische schokbestendigheid van de coating optimaal en kan de thermische schokbestendigheid 218 keer zo groot zijn, terwijl de thermische schokbestendigheid van de coating zonder LaO2 slechts 163 keer zo groot is.

3

Zeldzame aardoxiden beïnvloeden de slijtvastheid van coatings

De zeldzame aardoxiden die worden gebruikt om de slijtvastheid van keramische coatings te verbeteren, zijn voornamelijk CeO2 en La2O3. Hun hexagonale gelaagde structuur kan een goede smeerfunctie hebben en stabiele chemische eigenschappen behouden bij hoge temperaturen, wat de slijtvastheid effectief kan verbeteren en de wrijvingscoëfficiënt kan verlagen.

Het onderzoek toont aan dat de wrijvingscoëfficiënt van de coating met de juiste hoeveelheid CeO2 klein en stabiel is. Er is gerapporteerd dat het toevoegen van La2O3 aan plasmagespoten nikkel-gebaseerde cermet coating de wrijvingsslijtage en de wrijvingscoëfficiënt van de coating duidelijk kan verminderen, en de wrijvingscoëfficiënt is stabiel met weinig fluctuatie. Het slijtoppervlak van de bekledingslaag zonder zeldzame aarden vertoont ernstige hechting en brosse breuk en afbrokkeling. De coating met zeldzame aarden vertoont echter een zwakke hechting op het versleten oppervlak en er zijn geen tekenen van brosse afbrokkeling over een groot oppervlak. De microstructuur van met zeldzame aarden gedoteerde coating is dichter en compacter, en de poriën zijn verminderd, wat de gemiddelde wrijvingskracht die door microscopische deeltjes wordt gedragen vermindert en wrijving en slijtage vermindert. Dopering van zeldzame aarden kan ook de kristalvlakafstand van cermets vergroten, wat leidt tot een verandering van de interactiekracht tussen de twee kristalvlakken en een verlaging van de wrijvingscoëfficiënt.

Samenvatting:

Hoewel zeldzame aardoxiden grote successen hebben geboekt bij de toepassing van keramische materialen en coatings, die de microstructuur en mechanische eigenschappen van keramische materialen en coatings effectief kunnen verbeteren, zijn er nog steeds veel eigenschappen onbekend, met name op het gebied van het verminderen van wrijving en slijtage. De vraag hoe de sterkte en slijtvastheid van materialen kunnen samenwerken met hun smerende eigenschappen, is een belangrijk onderwerp geworden dat het waard is om te bespreken op het gebied van tribologie.

Telefoon: +86-21-20970332E-mail：info@shxlchem.com