Harvinaisten maametallien käyttö komposiittimateriaaleissa

SoveltaminenHarvinaiset maametallitkomposiittimateriaaleissa
Harvinaisilla maametalleilla on ainutlaatuinen 4f-elektronirakenne, suuri atomin magneettinen momentti, voimakas spin-kytkentä ja muita ominaisuuksia. Muodostaessaan komplekseja muiden alkuaineiden kanssa niiden koordinaatioluku voi vaihdella 6:sta 12:een. Harvinaisten maametallien yhdisteillä on erilaisia ​​kiderakenteita. Harvinaisten maametallien erityiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet tekevät niistä laajalti käytettyjä korkealaatuisen teräksen ja ei-rautametallien sulatuksessa, erikoislasissa ja korkean suorituskyvyn keraamissa, kestomagneettimateriaaleissa, vedyn varastointimateriaaleissa, luminoivissa ja lasermateriaaleissa, ydinmateriaaleissa ja muilla aloilla. Komposiittimateriaalien jatkuvan kehityksen myötä harvinaisten maametallien käyttö on laajentunut myös komposiittimateriaalien alalle, ja heterogeenisten materiaalien rajapintaominaisuuksien parantaminen on herättänyt laajaa huomiota.

Harvinaisten maametallien tärkeimmät käyttökohteet komposiittimateriaalien valmistuksessa ovat: 1. lisääminenharvinaiset maametallitkomposiittimateriaaleihin; ② Lisää muodossaharvinaisten maametallien oksiditkomposiittimateriaaliin; ③ Harvinaisten maametallien polymeerejä, joihin on seostettu tai sidottu harvinaisia ​​maametalleja, käytetään matriisimateriaaleina komposiittimateriaaleissa. Edellä mainituista kolmesta harvinaisten maametallien sovellusmuodosta kahta ensimmäistä muotoa käytetään enimmäkseen metallimatriisikomposiitteihin, kolmatta käytetään pääasiassa polymeerimatriisikomposiitteihin ja keraaminen matriisikomposiitti lisätään pääasiassa toisessa muodossa.

Harvinaiset maametallitvaikuttaa pääasiassa metallimatriisiin ja keraamiseen matriisikomposiittiin lisäaineiden, stabilointiaineiden ja sintrauslisäaineiden muodossa parantaen huomattavasti niiden suorituskykyä, alentaen tuotantokustannuksia ja mahdollistaen sen teollisen käytön.

Harvinaisten maametallien lisääminen lisäaineina komposiittimateriaaleihin parantaa pääasiassa komposiittimateriaalien rajapinnan suorituskykyä ja edistää metallimatriisirakeiden jalostumista. Vaikutusmekanismi on seuraava.

① Parantaa metallimatriisin ja lujitefaasin välistä kostuvuutta. Harvinaisten maametallien elektronegatiivisuus on suhteellisen alhainen (mitä pienempi metallien elektronegatiivisuus, sitä aktiivisempi epämetallien elektronegatiivisuus). Esimerkiksi La on 1,1, Ce on 1,12 ja Y on 1,22. Yleisen perusmetallin Fe elektronegatiivisuus on 1,83, Ni on 1,91 ja Al on 1,61. Siksi harvinaiset maametallit adsorboituvat sulatusprosessin aikana ensisijaisesti metallimatriisin ja lujitefaasin raerajoille, mikä vähentää niiden rajapintaenergiaa, lisää rajapinnan adheesiotyötä, pienentää kostutuskulmaa ja parantaa siten matriisin ja lujitefaasin välistä kostuvuutta. Tutkimukset ovat osoittaneet, että La-elementin lisääminen alumiinimatriisiin parantaa tehokkaasti Al2O3:n ja alumiininesteen kostuvuutta ja parantaa komposiittimateriaalien mikrorakennetta.

② Edistää metallimatriisirakeiden hienontumista. Harvinaisten maametallien liukoisuus metallikiteeseen on pieni, koska harvinaisten maametallien atomisäde on suuri ja metallimatriisin atomisäde suhteellisen pieni. Suuremmissa säteissä olevien harvinaisten maametallien pääsy matriisihilaan aiheuttaa hilan vääristymiä, mikä lisää järjestelmän energiaa. Alhaisimman vapaan energian ylläpitämiseksi harvinaisten maametallien atomit voivat rikastua vain epäsäännöllisiin raerajoihin, mikä jossain määrin estää matriisirakeiden vapaata kasvua. Samalla rikastetut harvinaiset maametallit adsorboivat myös muita seosaineita, mikä lisää seosaineiden pitoisuusgradienttia, aiheuttaa paikallista komponenttien alijäähtymistä ja tehostaa nestemäisen metallimatriisin heterogeenistä ydintymisvaikutusta. Lisäksi alkuaineiden segregaation aiheuttama alijäähtyminen voi myös edistää segregoituneiden yhdisteiden muodostumista ja niistä voi tulla tehokkaita heterogeenisiä ydintymishiukkasia, mikä edistää metallimatriisirakeiden hienontumista.

③ Puhdistaa raerajat. Harvinaisten maametallien ja alkuaineiden, kuten O:n, S:n, P:n, N:n jne., välisen voimakkaan affiniteetin vuoksi oksidien, sulfidien, fosfidien ja nitridien muodostumisvapaaenergia on alhainen. Näillä yhdisteillä on korkea sulamispiste ja alhainen tiheys, ja osa niistä voidaan poistaa kellumalla seosnesteestä, kun taas toiset jakautuvat tasaisesti raekoon, mikä vähentää epäpuhtauksien erottumista raerajalla ja puhdistaa siten raerajan ja parantaa sen lujuutta.

On huomattava, että harvinaisten maametallien korkean aktiivisuuden ja alhaisen sulamispisteen vuoksi niiden kosketusta hapen kanssa on metallimatriisikomposiittiin lisättäessä erityisesti valvottava lisäysprosessin aikana.

Lukuisat käytännöt ovat osoittaneet, että harvinaisten maametallien oksidien lisääminen stabilointiaineiksi, sintrausaineiksi ja dopingmodifioijiksi erilaisiin metallimatriiseihin ja keraamisiin matriisikomposiitteihin voi parantaa huomattavasti materiaalien lujuutta ja sitkeyttä, alentaa niiden sintrauslämpötilaa ja siten alentaa tuotantokustannuksia. Sen pääasiallinen vaikutusmekanismi on seuraava.

① Sintrauslisäaineena se voi edistää sintrautumista ja vähentää komposiittimateriaalien huokoisuutta. Sintrauslisäaineiden lisääminen muodostaa nestemäisen faasin korkeissa lämpötiloissa, alentaa komposiittimateriaalien sintrauslämpötilaa, estää materiaalien hajoamisen korkeissa lämpötiloissa sintrausprosessin aikana ja saada tiheitä komposiittimateriaaleja nestemäisen faasin sintrauksen avulla. Harvinaisten maametallien oksidien korkean stabiilisuuden, heikon korkean lämpötilan haihtuvuuden ja korkeiden sulamis- ja kiehumispisteiden ansiosta ne voivat muodostaa lasifaaseja muiden raaka-aineiden kanssa ja edistää sintrautumista, mikä tekee niistä tehokkaan lisäaineen. Samalla harvinaisten maametallien oksidi voi myös muodostaa kiinteän liuoksen keraamisen matriisin kanssa, mikä voi aiheuttaa kidevirheitä sisälle, aktivoida hilan ja edistää sintrautumista.

② Parantaa mikrorakennetta ja pienentää raekokoa. Koska lisätyt harvinaisten maametallien oksidit sijaitsevat pääasiassa matriisin raerajoilla ja niiden suuren tilavuuden vuoksi harvinaisten maametallien oksideilla on korkea migraatiokestävyys rakenteessa ja ne estävät myös muiden ionien migraatiota, mikä vähentää raerajojen migraationopeutta, estää raekasvua ja estää rakeiden epänormaalia kasvua korkean lämpötilan sintrauksen aikana. Ne voivat saada pieniä ja yhtenäisiä rakeita, mikä edistää tiheiden rakenteiden muodostumista. Toisaalta harvinaisten maametallien oksidien seostaminen johtaa raerajan lasifaasiin, mikä parantaa lasifaasin lujuutta ja siten parantaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia.

Polymeerimatriisikomposiittien harvinaisten maametallien vaikutus perustuu pääasiassa polymeerimatriisin ominaisuuksien parantamiseen. Harvinaisten maametallien oksidit voivat nostaa polymeerien lämpöhajoamislämpötilaa, kun taas harvinaisten maametallien karboksylaatit voivat parantaa polyvinyylikloridin lämpöstabiilisuutta. Polystyreenin seostaminen harvinaisten maametallien yhdisteillä voi parantaa polystyreenin stabiilisuutta ja lisätä merkittävästi sen iskulujuutta ja taivutuslujuutta.