Каково влияние оксидов редкоземельных металлов в керамических покрытиях?

Керамика, металлические материалы и полимерные материалы перечислены как три основных твердых материала. Керамика обладает многими превосходными свойствами, такими как высокая термостойкость, коррозионная стойкость, износостойкость и т. д., поскольку режим атомной связи керамики - это ионная связь, ковалентная связь или смешанная ионно-ковалентная связь с высокой энергией связи. Керамическое покрытие может изменить внешний вид, структуру и эксплуатационные характеристики внешней поверхности подложки, композит покрытие-подложка пользуется популярностью из-за его новых характеристик. Он может органично сочетать исходные характеристики подложки с характеристиками высокой термостойкости, высокой износостойкости и высокой коррозионной стойкости керамических материалов и в полной мере использовать всесторонние преимущества двух видов материалов, поэтому он широко используется в аэрокосмической, авиационной, национальной оборонной, химической промышленности и других отраслях промышленности.

Редкоземельные элементы называют «сокровищницей» новых материалов из-за их уникальной электронной структуры 4f и физико-химических свойств. Однако чистые редкоземельные элементы редко используются непосредственно в исследованиях, и в основном используются соединения редкоземельных элементов. Наиболее распространенными соединениями являются CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS и редкоземельный ферросилиций. Эти соединения редкоземельных элементов могут улучшить структуру и свойства керамических материалов и керамических покрытий.

I применение оксидов редкоземельных металлов в керамических материалах

Добавление редкоземельных элементов в качестве стабилизаторов и спекающих добавок к различным видам керамики может снизить температуру спекания, улучшить прочность и ударную вязкость некоторых видов конструкционной керамики и, таким образом, снизить себестоимость продукции. В то же время редкоземельные элементы также играют очень важную роль в полупроводниковых газовых датчиках, микроволновых средах, пьезоэлектрической керамике и других функциональных видах керамики. Исследования показали, что добавление двух или более редкоземельных оксидов в алюмооксидную керамику вместе лучше, чем добавление одного редкоземельного оксида в алюмооксидную керамику. После испытания на оптимизацию наилучший эффект показал Y2O3+CeO2. При добавлении 0,2%Y2O3+0,2%CeO2 при 1490 ℃ относительная плотность спеченных образцов может достигать 96,2%, что превышает плотность образцов с любым редкоземельным оксидом Y2O3 или CeO2 по отдельности.

Эффект La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 в содействии спеканию лучше, чем при добавлении только La2O3, и износостойкость, очевидно, улучшается. Это также показывает, что смешивание двух оксидов редкоземельных металлов не является простым добавлением, но между ними существует взаимодействие, которое более полезно для спекания и улучшения характеристик керамики из оксида алюминия, но принцип еще предстоит изучить.

Кроме того, установлено, что добавление смешанных оксидов редкоземельных металлов в качестве спекающих добавок может улучшить миграцию материалов, способствовать спеканию керамики MgO и повысить плотность. Однако, когда содержание смешанных оксидов металлов превышает 15%, относительная плотность уменьшается, а открытая пористость увеличивается.

Во-вторых, влияние оксидов редкоземельных металлов на свойства керамических покрытий.

Существующие исследования показывают, что редкоземельные элементы могут измельчать размер зерна, увеличивать плотность, улучшать микроструктуру и очищать интерфейс. Они играют уникальную роль в улучшении прочности, ударной вязкости, твердости, износостойкости и коррозионной стойкости керамических покрытий, что в определенной степени улучшает эксплуатационные характеристики керамических покрытий и расширяет область применения керамических покрытий.

1

Улучшение механических свойств керамических покрытий оксидами редкоземельных металлов

Оксиды редкоземельных элементов могут значительно улучшить твердость, прочность на изгиб и прочность на растяжение керамических покрытий. Экспериментальные результаты показывают, что прочность на растяжение покрытия может быть эффективно улучшена путем использования Lao _ 2 в качестве добавки в материал Al2O3+3% TiO _ 2, а прочность на растяжение может достигать 27,36 МПа, когда количество Lao _ 2 составляет 6,0%. При добавлении CeO2 с массовой долей 3,0% и 6,0% в материал Cr2O3 прочность на растяжение покрытия составляет от 18 до 25 МПа, что больше исходных 12-16 МПа. Однако, когда содержание CeO2 составляет 9,0%, прочность на растяжение снижается до 12-15 МПа.

2

Улучшение термостойкости керамического покрытия с помощью редкоземельных элементов

Испытание на стойкость к тепловому удару является важным испытанием для качественного отражения прочности связи между покрытием и подложкой и соответствия коэффициента теплового расширения между покрытием и подложкой. Оно напрямую отражает способность покрытия противостоять отслаиванию при попеременном изменении температуры во время использования, а также отражает способность покрытия противостоять усталости от механического удара и способность к сцеплению с подложкой сбоку. Поэтому это также ключевой фактор для оценки качества керамического покрытия.

Исследование показывает, что добавление 3,0% CeO2 может уменьшить пористость и размер пор в покрытии, а также уменьшить концентрацию напряжений на краю пор, тем самым улучшая термостойкость покрытия Cr2O3. Однако пористость керамического покрытия Al2O3 уменьшилась, а прочность связи и срок службы покрытия при термическом ударе явно увеличились после добавления LaO2. Когда количество добавления LaO2 составляет 6% (массовая доля), термостойкость покрытия является наилучшей, а срок службы при термическом ударе может достигать 218 раз, в то время как срок службы покрытия при термическом ударе без LaO2 составляет всего 163 раза.

3

Оксиды редкоземельных металлов влияют на износостойкость покрытий

Редкоземельные оксиды, используемые для улучшения износостойкости керамических покрытий, в основном CeO2 и La2O3. Их гексагональная слоистая структура может показывать хорошую смазочную функцию и сохранять стабильные химические свойства при высокой температуре, что может эффективно улучшить износостойкость и снизить коэффициент трения.

Исследование показывает, что коэффициент трения покрытия с надлежащим количеством CeO2 мал и стабилен. Сообщалось, что добавление La2O3 к плазменно-напыленному никелевому металлокерамическому покрытию может, очевидно, снизить износ трением и коэффициент трения покрытия, а коэффициент трения стабилен с небольшими колебаниями. Изношенная поверхность слоя оболочки без редкоземельных элементов показывает серьезную адгезию, хрупкое разрушение и откалывание, однако покрытие, содержащее редкоземельные элементы, показывает слабую адгезию на изношенной поверхности, и нет никаких признаков крупномасштабного хрупкого откалывания. Микроструктура покрытия, легированного редкоземельными элементами, более плотная и компактная, а поры уменьшены, что снижает среднюю силу трения, переносимую микроскопическими частицами, и снижает трение и износ. Легирование редкоземельными элементами также может увеличить расстояние между кристаллическими плоскостями металлокерамики, это приводит к изменению силы взаимодействия между двумя кристаллическими гранями и снижает коэффициент трения.

Краткое содержание:

Хотя оксиды редкоземельных металлов добились больших успехов в применении керамических материалов и покрытий, которые могут эффективно улучшать микроструктуру и механические свойства керамических материалов и покрытий, все еще остается много неизвестных свойств, особенно в снижении трения и износа. Вопрос о том, как заставить прочность и износостойкость материалов взаимодействовать с их смазочными свойствами, стал важным направлением, достойным обсуждения в области трибологии.

Тел: +86-21-20970332Электронная почта：info@shxlchem.com