ПрименениеРедкоземельные элементыв 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 варьироваться от 6 до 12. Редкоземельные соединения имеют разнообразные кристаллические структуры. Особые физические и химические свойства редкоземельных элементов делают их широко используемыми при выплавке высококачественной стали и цветных металлов, специального стекла и высокопроизводительной керамики, материалов с постоянными магнитами, материалов для хранения водорода, люминесцентных и лазерных материалов, ядерных материалов и других областях. С непрерывным развитием композитных материалов применение редкоземельных элементов также расширилось до области композитных материалов, привлекая всеобщее внимание к улучшению свойств интерфейса между гетерогенными материалами.
Основные формы применения редкоземельных элементов при изготовлении композиционных материалов включают: ① добавлениередкоземельные металлык композитным материалам; ② Добавить в видередкоземельные оксидык композитному материалу; ③ Полимеры, легированные или связанные с редкоземельными металлами в полимерах, используются в качестве матричных материалов в композитных материалах. Среди трех вышеупомянутых форм применения редкоземельных металлов первые две формы в основном добавляются к композиту с металлической матрицей, в то время как третья в основном применяется к композитам с полимерной матрицей, а композит с керамической матрицей в основном добавляется во вторую форму.
Редкоземельные элементыВ основном воздействует на композиты с металлической матрицей и керамической матрицей в виде добавок, стабилизаторов и спекающих добавок, значительно улучшая их эксплуатационные характеристики, снижая производственные затраты и делая возможным их промышленное применение.
Добавление редкоземельных элементов в качестве добавок в композитные материалы в основном играет роль в улучшении характеристик интерфейса композитных материалов и содействует измельчению зерен металлической матрицы. Механизм действия следующий.
① Улучшить смачиваемость между металлической матрицей и армирующей фазой. Электроотрицательность редкоземельных элементов относительно низкая (чем меньше электроотрицательность металлов, тем активнее электроотрицательность неметаллов). Например, La равен 1,1, Ce равен 1,12, а Y равен 1,22. Электроотрицательность обычного основного металла Fe равна 1,83, Ni равен 1,91, а Al равен 1,61. Поэтому редкоземельные элементы будут преимущественно адсорбироваться на границах зерен металлической матрицы и армирующей фазы во время процесса плавки, снижая их энергию интерфейса, увеличивая работу адгезии интерфейса, уменьшая угол смачивания и тем самым улучшая смачиваемость между матрицей и армирующей фазой. Исследования показали, что добавление элемента La к алюминиевой матрице эффективно улучшает смачиваемость AlO и алюминиевой жидкости и улучшает микроструктуру композитных материалов.
② Способствовать измельчению зерен металлической матрицы. Растворимость редкоземельных элементов в металлическом кристалле мала, поскольку атомный радиус редкоземельных элементов велик, а атомный радиус металлической матрицы относительно мал. Попадание редкоземельных элементов с большим радиусом в решетку матрицы вызовет искажение решетки, что увеличит энергию системы. Для поддержания самой низкой свободной энергии 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 становиться эффективными частицами 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, некоторые из них могут быть удалены путем всплытия из жидкости сплава, в то время как другие равномерно распределены внутри зерна, уменьшая сегрегацию примесей на границе зерна, тем самым очищая границу зерна и повышая ее прочность.
Следует отметить, что ввиду высокой активности и низкой температуры плавления редкоземельных металлов при их добавлении в металломатричный композит необходимо специально контролировать их контакт с кислородом в процессе добавления.
Большое количество практик доказало, что добавление оксидов редкоземельных элементов в качестве стабилизаторов, спекающих добавок и модификаторов легирования в различные металлические матрицы и керамические матричные композиты 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 он может способствовать спеканию и уменьшать пористость в композитных материалах. Добавление спекающих добавок заключается в создании жидкой фазы при высоких температурах, снижении температуры спекания композитных материалов, ингибировании высокотемпературного разложения материалов в процессе спекания и получении плотных композитных материалов посредством жидкофазного спекания. Благодаря высокой стабильности, слабой высокотемпературной летучести и высоким температурам плавления и кипения оксидов редкоземельных элементов они могут образовывать стеклянные фазы с другим сырьем и способствовать спеканию, что делает их эффективной добавкой. В то же время оксид редкоземельных элементов также может образовывать твердый раствор с керамической матрицей, что может создавать внутри дефекты кристаллов, активировать решетку и способствовать спеканию.
② Улучшить микроструктуру и измельчить размер зерна. В связи с тем, что добавленные редкоземельные оксиды в основном существуют на границах зерен матрицы, и из-за их большого объема, редкоземельные оксиды имеют высокое миграционное сопротивление в структуре, а также препятствуют миграции других ионов, тем самым снижая скорость миграции границ зерен, подавляя рост зерен и препятствуя аномальному росту зерен во время высокотемпературного спекания. Они могут получить мелкие и однородные зерна, что способствует образованию плотных структур; С другой стороны, легируя редкоземельные оксиды, они входят в фазу стекла границ зерен, улучшая прочность фазы стекла и, таким образом, достигая цели улучшения механических свойств материала.
Редкоземельные элементы в полимерных матричных композитах в основном влияют на них, улучшая свойства полимерной матрицы. Оксиды редкоземельных элементов могут повышать температуру термического разложения полимеров, в то время как карбоксилаты редкоземельных элементов могут повышать термическую стабильность поливинилхлорида. Легирование полистирола соединениями редкоземельных элементов может улучшить стабильность полистирола и значительно повысить его ударную вязкость и прочность на изгиб.
Время публикации: 26-апр.-2023