PiemērošanaRetzemjukompozītmateriālos
Retzemju elementiem ir unikāla 4f elektroniskā struktūra, liels atomu magnētiskais moments, spēcīga spina sasaiste un citas īpašības. Veidojot kompleksus ar citiem elementiem, to koordinācijas skaitlis var svārstīties no 6 līdz 12. Retzemju savienojumiem ir dažādas kristāliskās struktūras. Retzemju elementu īpašās fizikālās un ķīmiskās īpašības padara tos plaši izmantojamus augstas kvalitātes tērauda un krāsaino metālu kausēšanā, speciālā stiklā un augstas veiktspējas keramikā, pastāvīgā magnēta materiālos, ūdeņraža uzglabāšanas materiālos, luminiscējošos un lāzeru materiālos, kodolmateriālos un citās jomās. Līdz ar kompozītmateriālu nepārtrauktu attīstību retzemju elementu pielietojums ir paplašinājies arī kompozītmateriālu jomā, piesaistot plašu uzmanību heterogēnu materiālu saskarnes īpašību uzlabošanai.
Retzemju metālu galvenās pielietojuma formas kompozītmateriālu sagatavošanā ir šādas: 1. pievienošanaretzemju metālikompozītmateriāliem; ② Pievienot kāretzemju oksīdikompozītmateriālam; ③ Polimēri, kas leģēti vai savienoti ar retzemju metāliem polimēros, tiek izmantoti kā matricas materiāli kompozītmateriālos. No iepriekšminētajiem trim retzemju pielietojuma veidiem pirmās divas formas galvenokārt tiek pievienotas metāla matricas kompozītmateriāliem, bet trešā galvenokārt tiek izmantota polimēru matricas kompozītmateriāliem, un keramikas matricas kompozītmateriāli galvenokārt tiek pievienoti otrajā formā.
Retzemjugalvenokārt iedarbojas uz metāla matricas un keramikas matricas kompozītmateriāliem piedevu, stabilizatoru un saķepināšanas piedevu veidā, ievērojami uzlabojot to veiktspēju, samazinot ražošanas izmaksas un padarot iespējamu tā rūpniecisku pielietojumu.
Retzemju elementu pievienošana kā piedevas kompozītmateriālos galvenokārt uzlabo kompozītmateriālu saskarnes veiktspēju un veicina metāla matricas graudu rafinēšanu. Darbības mehānisms ir šāds.
1. Uzlabot mitrināmību starp metāla matricu un stiegrojuma fāzi. Retzemju elementu elektronegativitāte ir relatīvi zema (jo mazāka ir metālu elektronegativitāte, jo aktīvāka ir nemetālu elektronegativitāte). Piemēram, La ir 1,1, Ce ir 1,12 un Y ir 1,22. Parastā metāla Fe elektronegativitāte ir 1,83, Ni ir 1,91 un Al ir 1,61. Tāpēc retzemju elementi kausēšanas procesā priekšroku dod metāla matricas un stiegrojuma fāzes graudu robežām, samazinot to saskarnes enerģiju, palielinot saskarnes adhēzijas darbu, samazinot mitrināšanas leņķi un tādējādi uzlabojot mitrināmību starp matricu un stiegrojuma fāzi. Pētījumi liecina, ka La elementa pievienošana alumīnija matricai efektīvi uzlabo Al2O3 un alumīnija šķidruma mitrināmību un uzlabo kompozītmateriālu mikrostruktūru.
2. Veicināt metāla matricas graudu izsmalcinātību. Retzemju elementu šķīdība metāla kristālā ir maza, jo retzemju elementu atomu rādiuss ir liels, un metāla matricas atomu rādiuss ir relatīvi mazs. Retzemju elementu ar lielāku rādiusu iekļūšana matricas režģī izraisīs režģa deformāciju, kas palielinās sistēmas enerģiju. Lai saglabātu zemāko brīvo enerģiju, retzemju atomi var bagātināties tikai neregulāru graudu robežu virzienā, kas zināmā mērā kavē matricas graudu brīvu augšanu. Tajā pašā laikā bagātinātie retzemju elementi adsorbēs arī citus sakausējuma elementus, palielinot sakausējuma elementu koncentrācijas gradientu, izraisot lokālu komponentu nepietiekamu atdzišanu un pastiprinot šķidrā metāla matricas heterogēnās nukleācijas efektu. Turklāt elementu segregācijas izraisītā nepietiekamā atdzišana var veicināt arī segregētu savienojumu veidošanos un kļūt par efektīvām heterogēnām nukleācijas daļiņām, tādējādi veicinot metāla matricas graudu izsmalcinātību.
③ Attīra graudu robežas. Retzemju elementu spēcīgās afinitātes un tādu elementu kā O, S, P, N u.c. dēļ oksīdu, sulfīdu, fosfīdu un nitrīdu veidošanās brīvā enerģija ir zema. Šiem savienojumiem ir augsta kušanas temperatūra un zems blīvums, dažus no tiem var atdalīt, peldot augšup no sakausējuma šķidruma, bet citi ir vienmērīgi sadalīti graudā, samazinot piemaisījumu segregāciju graudu robežās, tādējādi attīrot graudu robežu un uzlabojot tās stiprību.
Jāatzīmē, ka retzemju metālu augstās aktivitātes un zemās kušanas temperatūras dēļ, pievienojot tos metāla matricas kompozītmateriālam, to saskare ar skābekli pievienošanas procesā ir īpaši jākontrolē.
Liels skaits prakses piemēru ir pierādījuši, ka retzemju oksīdu pievienošana kā stabilizatori, saķepināšanas palīglīdzekļi un dopinga modifikatori dažādām metāla matricām un keramikas matricu kompozītmateriāliem var ievērojami uzlabot materiālu izturību un sīkstumu, samazināt to saķepināšanas temperatūru un tādējādi samazināt ražošanas izmaksas. Tās galvenais darbības mehānisms ir šāds.
① Kā saķepināšanas piedeva tā var veicināt saķepināšanu un samazināt porainību kompozītmateriālos. Saķepināšanas piedevu pievienošana rada šķidru fāzi augstā temperatūrā, samazina kompozītmateriālu saķepināšanas temperatūru, kavē materiālu sadalīšanos augstā temperatūrā saķepināšanas procesā un iegūst blīvus kompozītmateriālus, izmantojot šķidrās fāzes saķepināšanu. Retzemju oksīdu augstās stabilitātes, vājās augstās temperatūras gaistamības un augstās kušanas un viršanas temperatūras dēļ tie var veidot stikla fāzes ar citām izejvielām un veicināt saķepināšanu, padarot tos par efektīvu piedevu. Tajā pašā laikā retzemju oksīds var veidot arī cietu šķīdumu ar keramikas matricu, radot kristāliskus defektus iekšpusē, aktivizējot režģi un veicinot saķepināšanu.
2. Uzlabot mikrostruktūru un samazināt graudu izmēru. Sakarā ar to, ka pievienotie retzemju oksīdi galvenokārt atrodas matricas graudu robežās, un to lielā tilpuma dēļ retzemju oksīdiem ir augsta migrācijas pretestība struktūrā, kā arī tie kavē citu jonu migrāciju, tādējādi samazinot graudu robežu migrācijas ātrumu, kavējot graudu augšanu un kavējot graudu patoloģisku augšanu augstas temperatūras saķepināšanas laikā. Tie var iegūt mazus un vienmērīgus graudus, kas veicina blīvu struktūru veidošanos; savukārt, dopējot retzemju oksīdus, tie nonāk graudu robežas stikla fāzē, uzlabojot stikla fāzes izturību un tādējādi sasniedzot mērķi uzlabot materiāla mehāniskās īpašības.
Retzemju elementi polimēru matricas kompozītmateriālos galvenokārt ietekmē tos, uzlabojot polimēru matricas īpašības. Retzemju oksīdi var palielināt polimēru termiskās sadalīšanās temperatūru, savukārt retzemju karboksilāti var uzlabot polivinilhlorīda termisko stabilitāti. Polistirola dopēšana ar retzemju savienojumiem var uzlabot polistirola stabilitāti un ievērojami palielināt tā triecienizturību un lieces izturību.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 26. aprīlis