ПрименениеРедкая земляв композитных материалах
Редкоземельные элементы имеют уникальную электронную структуру 4f, большой атомный магнитный момент, сильную спиновую связь и другие характеристики. При образовании комплексов с другими элементами их координационное число может изменяться от 6 до 12. Редкоземельные соединения имеют разнообразную кристаллическую структуру. Особые физические и химические свойства редкоземельных элементов позволяют широко использовать их при выплавке высококачественной стали и цветных металлов, специального стекла и высокоэффективной керамики, материалов с постоянными магнитами, материалов для хранения водорода, люминесцентных и лазерных материалов, ядерных материалов. и другие поля. С постоянным развитием композиционных материалов применение редкоземельных элементов также распространилось на область композиционных материалов, привлекая широкое внимание к улучшению свойств интерфейса между гетерогенными материалами.
К основным формам применения редкоземельных элементов при получении композиционных материалов относятся: ① добавлениередкоземельные металлык композиционным материалам; ② Добавить в формеоксиды редкоземельных металловк композиционному материалу; ③ Полимеры, легированные или связанные редкоземельными металлами в полимерах, используются в качестве матричных материалов в композиционных материалах. Среди трех вышеупомянутых форм применения редкоземельных элементов первые две формы в основном добавляются к композиту с металлической матрицей, тогда как третья в основном применяется к композитам с полимерной матрицей, а композит с керамической матрицей в основном добавляется во вторую форму.
Редкая земляв основном действует на металлическую матрицу и композит с керамической матрицей в виде добавок, стабилизаторов и спекающих добавок, значительно улучшая их характеристики, снижая производственные затраты и делая возможным его промышленное применение.
Добавление редкоземельных элементов в качестве добавок в композиционные материалы в основном играет роль в улучшении характеристик интерфейса композиционных материалов и содействии измельчению зерен металлической матрицы. Механизм действия следующий.
① Улучшите смачиваемость между металлической матрицей и армирующей фазой. Электроотрицательность редкоземельных элементов сравнительно невелика (чем меньше электроотрицательность металлов, тем активнее электроотрицательность неметаллов). Например, La составляет 1,1, Ce — 1,12, а Y — 1,22. Электроотрицательность обычного неблагородного металла Fe равна 1,83, Ni — 1,91 и Al — 1,61. Следовательно, редкоземельные элементы будут преимущественно адсорбироваться на границах зерен металлической матрицы и фазы армирования во время процесса плавки, уменьшая их энергию интерфейса, увеличивая работу адгезии интерфейса, уменьшая угол смачивания и тем самым улучшая смачиваемость между матрицей. и фаза подкрепления. Исследования показали, что добавление элемента La в алюминиевую матрицу эффективно улучшает смачиваемость AlO и алюминиевой жидкости, а также улучшает микроструктуру композиционных материалов.
② Содействие измельчению зерен металлической матрицы. Растворимость редкоземельных элементов в кристаллах металлов невелика, поскольку атомный радиус редкоземельных элементов велик, а атомный радиус металлической матрицы относительно невелик. Вхождение в решетку матрицы редкоземельных элементов большего радиуса приведет к искажению решетки, что приведет к увеличению энергии системы. Чтобы поддерживать наименьшую свободную энергию, атомы редкоземельных элементов могут обогащаться только в направлении нерегулярных границ зерен, что в некоторой степени препятствует свободному росту зерен матрицы. В то же время обогащенные редкоземельные элементы также будут адсорбировать другие элементы сплава, увеличивая градиент концентрации элементов сплава, вызывая локальное переохлаждение компонентов и усиливая эффект гетерогенного зародышеобразования жидкой металлической матрицы. Кроме того, переохлаждение, вызванное сегрегацией элементов, также может способствовать образованию сегрегированных соединений и превращению в эффективные частицы гетерогенного зародышеобразования, тем самым способствуя измельчению зерен металлической матрицы.
③ Очистите границы зерен. Из-за сильного сродства между редкоземельными элементами и такими элементами, как O, S, P, N и т. д., стандартная свободная энергия образования оксидов, сульфидов, фосфидов и нитридов низкая. Эти соединения имеют высокую температуру плавления и низкую плотность, часть из которых можно удалить, всплывая из жидкости сплава, а другие равномерно распределяются внутри зерна, уменьшая сегрегацию примесей на границе зерна, тем самым очищая границу зерна и улучшение его прочности.
Следует отметить, что из-за высокой активности и низкой температуры плавления редкоземельных металлов при их добавлении в композит с металлической матрицей необходимо специально контролировать их контакт с кислородом в процессе добавления.
Большое количество практик доказало, что добавление оксидов редкоземельных металлов в качестве стабилизаторов, добавок для спекания и модификаторов легирования к различным металлическим матрицам и композитам с керамической матрицей может значительно улучшить прочность и ударную вязкость материалов, снизить температуру их спекания и, таким образом, снизить производственные затраты. Основной механизм его действия заключается в следующем.
① В качестве спекающей добавки она может способствовать спеканию и уменьшению пористости композитных материалов. Добавление спекающих добавок позволяет генерировать жидкую фазу при высоких температурах, снижать температуру спекания композиционных материалов, ингибировать высокотемпературное разложение материалов в процессе спекания и получать плотные композиционные материалы путем жидкофазного спекания. Благодаря высокой стабильности, слабой высокотемпературной летучести и высоким температурам плавления и кипения оксидов редкоземельных элементов они могут образовывать стеклофазы с другим сырьем и способствовать спеканию, что делает их эффективной добавкой. В то же время оксид редкоземельного элемента также может образовывать твердый раствор с керамической матрицей, что может создавать внутри кристаллические дефекты, активировать решетку и способствовать спеканию.
② Улучшить микроструктуру и уточнить размер зерна. В связи с тем, что добавленные оксиды редкоземельных элементов в основном существуют на границах зерен матрицы, а также из-за большого объема, оксиды редкоземельных элементов обладают высокой миграционной стойкостью в структуре, а также препятствуют миграции других ионов, тем самым снижая скорость миграции границ зерен, тормозящая рост зерен и препятствующая аномальному росту зерен при высокотемпературном спекании. В них можно получить мелкие и однородные зерна, что способствует образованию плотных структур; С другой стороны, легируя оксиды редкоземельных элементов, они входят в зернограничную стеклофазу, улучшая прочность стеклофазы и тем самым достигая цели улучшения механических свойств материала.
Редкоземельные элементы в композитах с полимерной матрицей влияют главным образом на них, улучшая свойства полимерной матрицы. Оксиды редкоземельных элементов могут повысить температуру термического разложения полимеров, а карбоксилаты редкоземельных элементов могут улучшить термическую стабильность поливинилхлорида. Легирование полистирола редкоземельными соединениями позволяет улучшить стабильность полистирола и значительно повысить его ударную вязкость и прочность на изгиб.
Время публикации: 26 апреля 2023 г.