Aplicación de terras raras en materiais compostos

Aplicación deTerra raraen Materiais Compostos
Os elementos de terras raras teñen unha estrutura electrónica 4f única, un gran momento magnético atómico, un forte acoplamento de spin e outras características. Cando se forman complexos con outros elementos, o seu número de coordinación pode variar de 6 a 12. Os compostos de terras raras teñen unha variedade de estruturas cristalinas. As propiedades físicas e químicas especiais das terras raras fan que sexan amplamente utilizadas na fundición de aceiro de alta calidade e metais non férreos, vidro especiais e cerámicas de alto rendemento, materiais de imán permanente, materiais de almacenamento de hidróxeno, materiais luminiscentes e láser, materiais nucleares. , e outros campos. Co desenvolvemento continuo de materiais compostos, a aplicación das terras raras tamén se expandiu ao campo dos materiais compostos, atraendo unha atención ampla na mellora das propiedades de interface entre materiais heteroxéneos.

As principais formas de aplicación de terras raras na preparación de materiais compostos inclúen: ① engadindometais de terras rarasa materiais compostos; ② Engadir en forma deóxidos de terras rarasao material composto; ③ Os polímeros dopados ou unidos con metais de terras raras en polímeros úsanse como materiais de matriz en materiais compostos. Entre as tres formas anteriores de aplicación de terras raras, as dúas primeiras engádense principalmente ao composto de matriz metálica, mentres que a terceira aplícase principalmente aos compostos de matriz polimérica e o composto de matriz cerámica engádense principalmente na segunda forma.

Terra raraactúa principalmente sobre a matriz metálica e o composto de matriz cerámica en forma de aditivos, estabilizadores e aditivos de sinterización, mellorando moito o seu rendemento, reducindo os custos de produción e posibilitando a súa aplicación industrial.

A adición de elementos de terras raras como aditivos en materiais compostos xoga principalmente un papel na mellora do rendemento da interface dos materiais compostos e na promoción do refinamento dos grans de matriz metálica. O mecanismo de acción é o seguinte.

① Mellora a mollabilidade entre a matriz metálica e a fase de reforzo. A electronegatividade dos elementos das terras raras é relativamente baixa (canto menor é a electronegatividade dos metais, máis activa é a electronegatividade dos non metais). Por exemplo, La é 1,1, Ce é 1,12 e Y é 1,22. A electronegatividade do metal base común Fe é 1,83, Ni é 1,91 e Al é 1,61. Polo tanto, os elementos de terras raras adsorberanse preferentemente nos límites dos grans da matriz metálica e na fase de reforzo durante o proceso de fundición, reducindo a súa enerxía de interface, aumentando o traballo de adhesión da interface, reducindo o ángulo de humectación e mellorando así a mollabilidade entre a matriz. e fase de reforzo. A investigación demostrou que a adición de elemento La á matriz de aluminio mellora efectivamente a moxabilidade do AlO2 e do líquido de aluminio e mellora a microestrutura dos materiais compostos.

② Promover o refinamento dos grans de matriz metálica. A solubilidade das terras raras no cristal metálico é pequena, porque o raio atómico dos elementos de terras raras é grande e o raio atómico da matriz metálica é relativamente pequeno. A entrada de elementos de terras raras con maior radio na rede da matriz provocará a distorsión da rede, o que aumentará a enerxía do sistema. Para manter a enerxía libre máis baixa, os átomos de terras raras só poden enriquecerse cara a límites de grans irregulares, o que en certa medida dificulta o crecemento libre dos grans da matriz. Ao mesmo tempo, os elementos de terras raras enriquecidos tamén absorberán outros elementos de aliaxe, aumentando o gradiente de concentración dos elementos de aliaxe, provocando un subenfriamento dos compoñentes locais e mellorando o efecto de nucleación heteroxénea da matriz de metal líquido. Ademais, o subenfriamento causado pola segregación elemental tamén pode promover a formación de compostos segregados e converterse en partículas de nucleación heteroxéneas eficaces, promovendo así o refinamento dos grans da matriz metálica.

③ Purificar os límites dos grans. Debido á forte afinidade entre elementos de terras raras e elementos como O, S, P, N, etc., a enerxía libre estándar de formación de óxidos, sulfuros, fosfuros e nitruros é baixa. Estes compostos teñen un alto punto de fusión e baixa densidade, algúns dos cales poden eliminarse flotando do líquido da aliaxe, mentres que outros distribúense uniformemente dentro do gran, reducindo a segregación de impurezas no límite do gran, purificando así o límite do gran e mellorando a súa forza.

Cómpre sinalar que, debido á alta actividade e ao baixo punto de fusión dos metais de terras raras, cando se engaden ao composto de matriz metálica, o seu contacto co osíxeno debe controlarse especialmente durante o proceso de adición.

Un gran número de prácticas demostraron que engadir óxidos de terras raras como estabilizadores, axudas de sinterización e modificadores de dopaxe a diferentes compostos de matriz metálica e matriz cerámica pode mellorar moito a resistencia e dureza dos materiais, reducir a súa temperatura de sinterización e, así, reducir os custos de produción. O principal mecanismo da súa acción é o seguinte.

① Como aditivo de sinterización, pode promover a sinterización e reducir a porosidade dos materiais compostos. A adición de aditivos de sinterización é xerar unha fase líquida a altas temperaturas, reducir a temperatura de sinterización dos materiais compostos, inhibir a descomposición a alta temperatura dos materiais durante o proceso de sinterización e obter materiais compostos densos mediante a sinterización en fase líquida. Debido á alta estabilidade, á débil volatilidade a altas temperaturas e aos altos puntos de fusión e ebulición dos óxidos de terras raras, poden formar fases de vidro con outras materias primas e promover a sinterización, converténdose nun aditivo eficaz. Ao mesmo tempo, o óxido de terras raras tamén pode formar unha solución sólida coa matriz cerámica, que pode xerar defectos de cristal no interior, activar a rede e promover a sinterización.

② Mellora a microestrutura e refina o tamaño dos grans. Debido ao feito de que os óxidos de terras raras engadidos existen principalmente nos límites dos grans da matriz, e debido ao seu gran volume, os óxidos de terras raras teñen unha alta resistencia á migración na estrutura e tamén dificultan a migración doutros ións, reducindo así o taxa de migración dos límites dos grans, inhibindo o crecemento dos grans e dificultando o crecemento anormal dos grans durante a sinterización a alta temperatura. Poden obter grans pequenos e uniformes, o que favorece a formación de estruturas densas; Por outra banda, dopando os óxidos de terras raras, entran na fase de vidro de límite de grans, mellorando a resistencia da fase de vidro e conseguindo así o obxectivo de mellorar as propiedades mecánicas do material.

Os elementos de terras raras nos compostos de matriz polimérica inflúenlles principalmente ao mellorar as propiedades da matriz polimérica. Os óxidos de terras raras poden aumentar a temperatura de descomposición térmica dos polímeros, mentres que os carboxilatos de terras raras poden mellorar a estabilidade térmica do cloruro de polivinilo. O poliestireno dopado con compostos de terras raras pode mellorar a estabilidade do poliestireno e aumentar significativamente a súa resistencia ao impacto e á flexión.