Retzemju pielietojums kompozītmateriālos

PiemērošanaRetzemesadaļā Kompozītmateriāli
Retzemju elementiem ir unikāla 4f elektroniskā struktūra, liels atomu magnētiskais moments, spēcīga griešanās sakabe un citas īpašības. Veidojot kompleksus ar citiem elementiem, to koordinācijas skaitlis var svārstīties no 6 līdz 12. Retzemju savienojumiem ir dažādas kristālu struktūras. Retzemju metālu īpašās fizikālās un ķīmiskās īpašības ļauj tos plaši izmantot augstas kvalitātes tērauda un krāsaino metālu, speciāla stikla un augstas veiktspējas keramikas, pastāvīgo magnētu materiālu, ūdeņraža uzglabāšanas materiālu, luminiscences un lāzera materiālu, kodolmateriālu kausēšanai. , un citos laukos. Nepārtraukti attīstoties kompozītmateriāliem, retzemju metālu pielietojums ir paplašinājies arī kompozītmateriālu jomā, piesaistot plašu uzmanību neviendabīgu materiālu saskarnes īpašību uzlabošanai.

Galvenās retzemju izmantošanas formas kompozītmateriālu sagatavošanā ir: ① pievienošanaretzemju metāliuz kompozītmateriāliem; ② Pievienot formāretzemju oksīdiuz kompozītmateriālu; ③ Polimēri, kas leģēti vai saistīti ar retzemju metāliem polimēros, tiek izmantoti kā matricas materiāli kompozītmateriālos. No trim iepriekšminētajām retzemju pielietošanas formām pirmās divas formas galvenokārt tiek pievienotas metāla matricas kompozītmateriāliem, bet trešā galvenokārt tiek izmantota polimēru matricas kompozītmateriāliem, un keramikas matricas kompozītmateriālu galvenokārt pievieno otrajā formā.

Retzemegalvenokārt iedarbojas uz metāla matricas un keramikas matricas kompozītmateriālu piedevu, stabilizatoru un saķepināšanas piedevu veidā, ievērojami uzlabojot to veiktspēju, samazinot ražošanas izmaksas un padarot iespējamu rūpniecisku pielietojumu.

Retzemju elementu pievienošanai kā piedevām kompozītmateriālos galvenokārt ir nozīme kompozītmateriālu saskarnes veiktspējas uzlabošanā un metāla matricas graudu pilnveidošanā. Darbības mehānisms ir šāds.

① Uzlabojiet mitrināmību starp metāla matricu un stiegrojuma fāzi. Retzemju elementu elektronegativitāte ir salīdzinoši 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. Parasto parastā metāla Fe elektronegativitāte ir 1,83, Ni ir 1,91 un Al ir 1,61. Tāpēc retzemju elementi kausēšanas procesā galvenokārt adsorbējas uz metāla matricas graudu robežām un stiegrojuma fāzes, samazinot to saskarnes enerģiju, palielinot saskarnes adhēzijas darbu, samazinot mitrināšanas leņķi un tādējādi uzlabojot mitrināmību starp matricu. un pastiprināšanas fāze. Pētījumi liecina, ka La elementa pievienošana alumīnija matricai efektīvi uzlabo AlO un alumīnija šķidruma mitrināmību un uzlabo kompozītmateriālu mikrostruktūru.

② Veicināt metāla matricas graudu pilnveidošanu. Retzemju elementu šķīdība metālu kristālos ir maza, jo retzemju elementu atomu rādiuss ir liels, bet metāla matricas atomu rādiuss ir salīdzinoši mazs. Retzemju elementu ar lielāku rādiusu iekļūšana matricas režģī izraisīs režģa kropļojumus, kas palielinās sistēmas enerģiju. Lai saglabātu zemāko brīvo enerģiju, retzemju atomi var bagātināties tikai pret neregulārām graudu robežām, 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 vietējo komponentu nepietiekamu dzesēšanu un uzlabojot šķidrā metāla matricas neviendabīgo kodolu veidošanās efektu. Turklāt elementu segregācijas izraisītā nepietiekama dzesēšana var arī veicināt segregētu savienojumu veidošanos un kļūt par efektīvām heterogēnām kodolu daļiņām, tādējādi veicinot metāla matricas graudu rafinēšanu.

③ Attīriet graudu robežas. Sakarā ar spēcīgo afinitāti starp retzemju elementiem un tādiem elementiem kā O, S, P, N utt., oksīdu, sulfīdu, fosfīdu un nitrīdu veidošanās standarta brīvā enerģija ir zema. Šiem savienojumiem ir augsta kušanas temperatūra un zems blīvums, no kuriem dažus var noņemt, peldot uz augšu no sakausējuma šķidruma, bet citi ir vienmērīgi sadalīti graudos, samazinot piemaisījumu segregāciju pie graudu robežas, tādējādi attīrot graudu robežu un uzlabojot tā spēku.

Jāņem vērā, ka retzemju metālu augstās aktivitātes un zemās kušanas temperatūras dēļ, kad tos pievieno metāla matricas kompozītmateriālam, pievienošanas procesā ir īpaši jākontrolē to saskare ar skābekli.

Daudzas prakses ir pierādījušas, ka retzemju oksīdu pievienošana kā stabilizatori, saķepināšanas palīglīdzekļi un dopinga modifikatori dažādām metāla matricām un keramikas matricas kompozītmateriāliem var ievērojami uzlabot materiālu izturību un stingrību, samazināt to saķepināšanas temperatūru un tādējādi samazināt ražošanas izmaksas. Tās darbības galvenais mehānisms ir šāds.

① Kā saķepināšanas piedeva tā var veicināt saķepināšanu un samazināt porainību kompozītmateriālos. Saķepināšanas piedevu pievienošana ir paredzēta, lai augstā temperatūrā radītu šķidru fāzi, samazinātu kompozītmateriālu saķepināšanas temperatūru, kavētu materiālu sadalīšanos augstā temperatūrā saķepināšanas procesā un iegūtu blīvus kompozītmateriālus, izmantojot šķidrās fāzes saķepināšanu. Retzemju oksīdu augstās stabilitātes, vājās augstas temperatūras nepastāvības 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 arī veidot cietu šķīdumu ar keramikas matricu, kas iekšpusē var radīt kristāla defektus, aktivizēt režģi un veicināt saķepināšanu.

② Uzlabojiet mikrostruktūru un uzlabojiet graudu izmēru. Sakarā ar to, ka pievienotie retzemju oksīdi galvenokārt atrodas uz matricas graudu robežām un to lielā tilpuma dēļ retzemju oksīdiem ir augsta migrācijas pretestība struktūrā, kā arī kavē citu jonu migrāciju, tādējādi samazinot graudu robežu migrācijas ātrums, kavējot graudu augšanu un kavējot nenormālu graudu augšanu augstas temperatūras saķepināšanas laikā. Tie var iegūt mazus un viendabīgus graudus, kas veicina blīvu struktūru veidošanos; Savukārt, leģējot retzemju oksīdus, tie nonāk graudu robežstikla fāzē, uzlabojot stikla fāzes stiprību un tādējādi sasniedzot mērķi uzlabot materiāla mehāniskās īpašības.

Retzemju elementi polimēru matricas kompozītmateriālos galvenokārt ietekmē tos, uzlabojot polimēru matricas īpašības. Retzemju oksīdi var paaugstināt polimēru termiskās sadalīšanās temperatūru, savukārt retzemju karboksilāti var uzlabot polivinilhlorīda termisko stabilitāti. Polistirola dopings ar retzemju savienojumiem var uzlabot polistirola stabilitāti un būtiski palielināt tā triecienizturību un lieces izturību.