Примена на ретки земји во композитни материјали

Примена наРетка Земјаво композитни материјали
Ретките земни елементи имаат единствена 4f електронска структура, голем атомски магнетен момент, силно спинско спојување и други карактеристики. При формирање комплекси со други елементи, нивниот координативен број може да варира од 6 до 12. Ретките земни соединенија имаат различни кристални структури. Посебните физички и хемиски својства на ретките земни елементи ги прават широко користени во топењето на висококвалитетен челик и обоени метали, специјално стакло и високоперформансна керамика, материјали со трајни магнети, материјали за складирање на водород, луминисцентни и ласерски материјали, нуклеарни материјали и други области. Со континуираниот развој на композитните материјали, примената на ретките земни елементи се прошири и во полето на композитните материјали, привлекувајќи широко внимание во подобрувањето на својствата на интерфејсот помеѓу хетерогените материјали.

Главните форми на примена на ретките земни метали во подготовката на композитни материјали вклучуваат: ① додавањеретки земни металина композитни материјали; ② Додадете во форма наоксиди на ретки земни елементина композитниот материјал; ③ Полимери допирани или врзани со ретки земни метали во полимери се користат како матрични материјали во композитните материјали. Меѓу горенаведените три форми на примена на ретки земни метали, првите две форми најчесто се додаваат на композити со метална матрица, додека третата главно се применува на композити со полимерна матрица, а керамичките матрични композити главно се додаваат во втората форма.

Ретка земјаглавно дејствува на метална матрица и композитни керамички матрици во форма на адитиви, стабилизатори и адитиви за синтерување, значително подобрувајќи ги нивните перформанси, намалувајќи ги трошоците за производство и овозможувајќи ја неговата индустриска примена.

Додавањето на ретки земни елементи како адитиви во композитните материјали главно игра улога во подобрувањето на интерфејсните перформанси на композитните материјали и промовирањето на рафинирањето на зрната на металната матрица. Механизмот на дејство е како што следува.

① Подобрете ја навлажнувањето помеѓу металната матрица и фазата на зајакнување. Електронегативноста на ретките земни елементи е релативно ниска (колку е помала електронегативноста на металите, толку е поактивна електронегативноста на неметалите). На пример, La е 1,1, Ce е 1,12, а Y е 1,22. Електронегативноста на обичниот основен метал Fe е 1,83, Ni е 1,91, а Al е 1,61. Затоа, ретките земни елементи преференцијално ќе се адсорбираат на границите на зрната на металната матрица и фазата на зајакнување за време на процесот на топење, намалувајќи ја нивната енергија на интерфејсот, зголемувајќи ја работата на адхезија на интерфејсот, намалувајќи го аголот на навлажнување и со тоа подобрувајќи ја навлажнувањето помеѓу матрицата и фазата на зајакнување. Истражувањата покажаа дека додавањето на La елемент во алуминиумската матрица ефикасно ја подобрува навлажнливоста на AlO и алуминиумската течност и ја подобрува микроструктурата на композитните материјали.

② Промовирање на рафинирањето на зрната од металната матрица. Растворливоста на ретките земни елементи во металниот кристал е мала, бидејќи атомскиот радиус на ретките земни елементи е голем, а атомскиот радиус на металната матрица е релативно мал. Влегувањето на ретките земни елементи со поголем радиус во матричната решетка ќе предизвика дисторзија на решетката, што ќе ја зголеми енергијата на системот. За да се одржи најниската слободна енергија, атомите на ретките земни елементи можат да се збогатат само кон неправилните граници на зрната, што до одреден степен го попречува слободниот раст на зрната од матрица. Во исто време, збогатените ретките земни елементи ќе адсорбираат и други легирани елементи, зголемувајќи го градиентот на концентрација на легираните елементи, предизвикувајќи локално потладување на компонентите и засилувајќи го ефектот на хетерогено нуклеирање на матрицата на течниот метал. Покрај тоа, потладувањето предизвикано од елементарната сегрегација може да го поттикне формирањето на сегрегирани соединенија и да стане ефикасно хетерогено нуклеирање на честички, со што се промовира рафинирањето на зрната од металната матрица.

③ Прочистување на границите на зрната. Поради силниот афинитет помеѓу ретките земни елементи и елементи како што се O, S, P, N, итн., стандардната слободна енергија на формирање на оксиди, сулфиди, фосфиди и нитриди е ниска. Овие соединенија имаат висока точка на топење и мала густина, од кои некои може да се отстранат со лебдење нагоре од течноста на легурата, додека други се рамномерно распределени во зрното, намалувајќи ја сегрегацијата на нечистотиите на границата на зрното, со што се прочистува границата на зрното и се подобрува нејзината цврстина.

Треба да се напомене дека, поради високата активност и ниската точка на топење на ретките земни метали, кога се додаваат во композитот на метална матрица, нивниот контакт со кислород треба посебно да се контролира за време на процесот на додавање.

Голем број практики докажаа дека додавањето на оксиди на ретки земни метали како стабилизатори, помагала за синтерување и модификатори на допинг во различни композити на метални матрици и керамички матрици може значително да ја подобри цврстината и цврстината на материјалите, да ја намали нивната температура на синтерување и со тоа да ги намали трошоците за производство. Главниот механизам на неговото дејство е како што следува.

① Како додаток за синтерување, може да го поттикне синтерувањето и да ја намали порозноста кај композитните материјали. Додавањето додатоци за синтерување е за да се генерира течна фаза на високи температури, да се намали температурата на синтерување на композитните материјали, да се спречи распаѓањето на материјалите на висока температура за време на процесот на синтерување и да се добијат густи композитни материјали преку синтерување во течна фаза. Поради високата стабилност, слабата испарливост на високи температури и високите точки на топење и вриење на оксидите на ретки земни елементи, тие можат да формираат стаклени фази со други суровини и да го поттикнат синтерувањето, што ги прави ефикасен додаток. Во исто време, оксидот на ретки земни елементи може да формира и цврст раствор со керамичката матрица, што може да генерира кристални дефекти внатре, да ја активира решетката и да го поттикне синтерувањето.

② Подобрување на микроструктурата и рафинирање на големината на зрната. Поради фактот што додадените оксиди на ретки земни елементи главно постојат на границите на зрната на матрицата, а поради нивниот голем волумен, оксидите на ретки земни елементи имаат висок отпор на миграција во структурата, а исто така ја попречуваат миграцијата на други јони, со што се намалува брзината на миграција на границите на зрната, се инхибира растот на зрната и се спречува абнормалниот раст на зрната за време на синтерувањето на висока температура. Тие можат да добијат мали и униформни зрна, што е погодно за формирање на густи структури; Од друга страна, со допирање на оксиди на ретки земни елементи, тие влегуваат во стаклената фаза на границата на зрната, подобрувајќи ја цврстината на стаклената фаза и со тоа постигнувајќи ја целта за подобрување на механичките својства на материјалот.

Ретките земни елементи во композитите со полимерна матрица главно влијаат врз нив преку подобрување на својствата на полимерната матрица. Ретките земни оксиди можат да ја зголемат температурата на термичко распаѓање на полимерите, додека карбоксилатите на ретките земни елементи можат да ја подобрат термичката стабилност на поливинил хлоридот. Допирањето на полистирен со соединенија на ретките земни елементи може да ја подобри стабилноста на полистиренот и значително да ја зголеми неговата отпорност на удар и отпорност на свиткување.