Aplicación de terras raras en materiais compostos

Aplicación deTerras rarasen materiais compostos
Os elementos de terras raras teñen unha estrutura electrónica 4f única, un gran momento magnético atómico, un forte acoplamento de espín e outras características. Ao formar 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 fusión de aceiro de alta calidade e metais non ferrosos, vidro especial e cerámica de alto rendemento, materiais de imáns permanentes, materiais de almacenamento de hidróxeno, materiais luminescentes e láser, materiais nucleares e outros campos. Co desenvolvemento continuo dos materiais compostos, a aplicación das terras raras tamén se expandiu ao campo dos materiais compostos, atraendo unha atención xeneralizada na mellora das propiedades da interface entre materiais heteroxéneos.

As principais formas de aplicación das terras raras na preparación de materiais compostos inclúen: ① engadirmetais 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 utilízanse como materiais matriz en materiais compostos. Entre as tres formas anteriores de aplicación de terras raras, as dúas primeiras formas engádense principalmente a compostos de matriz metálica, mentres que a terceira se aplica principalmente a compostos de matriz polimérica e os compostos de matriz cerámica engádense principalmente na segunda forma.

Terras rarasactúa principalmente sobre materiais compostos de matriz metálica e matriz cerámica en forma de aditivos, estabilizadores e aditivos de sinterización, mellorando considerablemente o seu rendemento, reducindo os custos de produción e facendo posible a súa aplicación industrial.

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

① Mellorar a mollabilidade entre a matriz metálica e a fase de reforzo. A electronegatividade dos elementos de terras raras é relativamente baixa (canto menor sexa a electronegatividade dos metais, máis activa será 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 de grans da matriz metálica e da fase de reforzo durante o proceso de fusión, reducindo a súa enerxía na interface, aumentando o traballo de adhesión da interface, reducindo o ángulo de mollabilidade e, polo tanto, mellorando a mollabilidade entre a matriz e a fase de reforzo. A investigación demostrou que a adición do elemento La á matriz de aluminio mellora eficazmente a mollabilidade do AlO e do líquido de aluminio e mellora a microestrutura dos materiais compostos.

② Promover o refinamento dos grans da matriz metálica. A solubilidade das terras raras no cristal metálico é pequena, porque o radio atómico dos elementos de terras raras é grande e o radio atómico da matriz metálica é relativamente pequeno. A entrada de elementos de terras raras con maior radio na rede matricial causará 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 ata certo punto dificulta o crecemento libre dos grans da matriz. Ao mesmo tempo, os elementos de terras raras enriquecidos tamén adsorberán outros elementos de aliaxe, aumentando o gradiente de concentración dos elementos de aliaxe, causando un subarrefriamento local dos compoñentes e mellorando o efecto de nucleación heteroxénea da matriz metálica líquida. Ademais, o subarrefriamento causado pola segregación elemental tamén pode promover a formación de compostos segregados e converterse en partículas de nucleación heteroxéneas efectivas, promovendo así o refinamento dos grans da matriz metálica.

③ Purificar os límites de gran. Debido á forte afinidade entre os 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 punto de fusión alto e unha baixa densidade, algúns dos cales pódense eliminar flotando cara arriba desde o líquido da aliaxe, mentres que outros se distribúen uniformemente dentro do gran, o que reduce a segregación de impurezas no límite de gran, purificando así o límite de gran e mellorando a súa resistencia.

Cómpre sinalar que, debido á alta actividade e ao baixo punto de fusión dos metais de terras raras, cando se engaden a un 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, axudantes de sinterización e modificadores de dopaxe a diferentes compostos de matriz metálica e matriz cerámica pode mellorar considerablemente a resistencia e a tenacidade dos materiais, reducir a súa temperatura de sinterización e, polo tanto, 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 nos materiais compostos. A adición de aditivos de sinterización ten como obxectivo 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 alta temperatura e aos altos puntos de fusión e ebulición dos óxidos de terras raras, poden formar fases vítreas con outras materias primas e promover a sinterización, converténdoos nun aditivo eficaz. Ao mesmo tempo, o óxido de terras raras tamén pode formar unha solución sólida coa matriz cerámica, o que pode xerar defectos cristalinos no seu interior, activar a rede e promover a sinterización.

② Mellorar a microestrutura e refinar o tamaño do gran. Debido a que os óxidos de terras raras engadidos existen principalmente nos límites de gran 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 a taxa de migración dos límites de gran, inhibindo o crecemento do gran e dificultando o crecemento anormal dos grans durante a sinterización a alta temperatura. Permiten obter grans pequenos e uniformes, o que favorece a formación de estruturas densas; Por outra banda, ao dopar os óxidos de terras raras, entran na fase vítrea do límite de gran, mellorando a resistencia da fase vítrea e conseguindo así o obxectivo de mellorar as propiedades mecánicas do material.

Os elementos de terras raras nos materiais compostos de matriz polimérica inflúen principalmente neles mellorando 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 dopado de poliestireno con compostos de terras raras pode mellorar a estabilidade do poliestireno e aumentar significativamente a súa resistencia ao impacto e á flexión.