Harvinaisten maametallien käyttö komposiittimateriaaleissa

SovellusHarvinainen maakomposiittimateriaaleissa
Harvinaisilla maametallielementeillä on ainutlaatuinen 4f-elektroniikkarakenne, suuri atomimagneettinen momentti, vahva spin-kytkentä ja muita ominaisuuksia. Muodostettaessa komplekseja muiden alkuaineiden kanssa niiden koordinaatioluku voi vaihdella välillä 6 - 12. Harvinaisilla maametalliyhdisteillä on erilaisia ​​kiderakenteita. Harvinaisten maametallien erityiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet tekevät niistä laajan käytön korkealaatuisten terästen ja ei-rautametallien, erikoislasin ja korkean suorituskyvyn keramiikan, kestomagneettimateriaalien, vedyn varastointimateriaalien, luminoivien ja lasermateriaalien sekä ydinmateriaalien sulatuksessa. , ja muilla aloilla. Komposiittimateriaalien jatkuvan kehityksen myötä harvinaisten maametallien käyttö on laajentunut myös komposiittimateriaalien alalle, mikä herättää laajaa huomiota heterogeenisten materiaalien rajapintaominaisuuksien parantamisessa.

Harvinaisten maametallien tärkeimmät sovellusmuodot komposiittimateriaalien valmistuksessa ovat: ① lisääminenharvinaiset maametallitkomposiittimateriaaleihin; ② Lisää muodossaharvinaisten maametallien oksidejakomposiittimateriaaliin; ③ Polymeereja, jotka on seostettu tai sidottu harvinaisten maametallien kanssa polymeereissa, käytetään matriisimateriaaleina komposiittimateriaaleissa. Edellä mainituista kolmesta harvinaisten maametallien levitysmuodosta kaksi ensimmäistä muotoa lisätään enimmäkseen metallimatriisikomposiittiin, kun taas kolmatta käytetään pääasiassa polymeerimatriisikomposiitteihin, ja keraaminen matriisikomposiitti lisätään pääasiassa toisessa muodossa.

Harvinainen maametallivaikuttaa pääasiassa metallimatriisiin ja keraamiseen matriisikomposiittiin lisäaineiden, stabilointiaineiden ja sintrauslisäaineiden muodossa, mikä parantaa huomattavasti niiden suorituskykyä, alentaa tuotantokustannuksia ja mahdollistaa sen teollisen käytön.

Harvinaisten maametallien lisääminen lisäaineiksi komposiittimateriaaleihin vaikuttaa pääasiassa komposiittimateriaalien rajapinnan suorituskyvyn parantamiseen ja metallimatriisirakeiden jalostukseen. Vaikutusmekanismi on seuraava.

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

② Edistää metallimatriisirakeiden hienostuneisuutta. Harvinaisen maametallin liukoisuus metallikiteeseen on pieni, koska harvinaisten maametallien atomisäde on suuri ja metallimatriisin atomisäde on suhteellisen pieni. Suuremman säteen omaavien harvinaisten maametallien tunkeutuminen matriisihilaan aiheuttaa hilan vääristymiä, mikä lisää järjestelmän energiaa. Alimman vapaan energian ylläpitämiseksi harvinaisten maametallien atomit voivat rikastua vain kohti epäsäännöllisiä raerajoja, mikä jossain määrin estää matriisijyvien vapaata kasvua. Samaan aikaan rikastetut harvinaiset maametallit adsorboivat myös muita seosalkuaineita, mikä lisää seosalkuaineiden pitoisuusgradienttia, aiheuttaa paikallista komponenttien alijäähtymistä ja tehostaa nestemäisen metallimatriisin heterogeenista ydintämisvaikutusta. Lisäksi alkuainesegregaation aiheuttama alijäähdytys voi myös edistää erottuneiden yhdisteiden muodostumista ja muodostua tehokkaiksi heterogeenisiksi nukleaatiohiukkasiksi, mikä edistää metallimatriisirakeiden jalostumista.

③ Puhdista viljarajat. Harvinaisten maametallien ja alkuaineiden, kuten O, S, P, N jne. välisen vahvan affiniteetin vuoksi oksidien, sulfidien, fosfidien ja nitridien normaali vapaa muodostumisenergia on alhainen. Näillä yhdisteillä on korkea sulamispiste ja alhainen tiheys, joista osa voidaan poistaa kelluttamalla seoksen nesteestä, kun taas toiset jakautuvat tasaisesti rakeiden sisällä, mikä vähentää epäpuhtauksien erottumista raerajalla ja puhdistaa siten raerajaa ja parantaa sen vahvuutta.

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

Useat käytännöt ovat osoittaneet, että harvinaisten maametallien oksidien lisääminen stabilisaattoreina, sintrausapuaineina ja doping-modifioimisaineina erilaisiin metallimatriisi- ja keramiikkamatriisikomposiitteihin voi parantaa huomattavasti materiaalien lujuutta ja sitkeyttä, alentaa niiden sintrauslämpötilaa ja siten alentaa tuotantokustannuksia. Sen pääasiallinen toimintamekanismi on seuraava.

① Sintrautuvana lisäaineena se voi edistää sintrausta ja vähentää komposiittimateriaalien huokoisuutta. Sintrauslisäaineiden lisäämisen tarkoituksena on tuottaa nestefaasia korkeissa lämpötiloissa, alentaa komposiittimateriaalien sintrauslämpötilaa, estää materiaalien hajoamista korkeassa lämpötilassa sintrausprosessin aikana ja saada tiheitä komposiittimateriaaleja nestefaasisintrauksella. Harvinaisten maametallien oksidien korkean stabiilisuuden, heikon korkean lämpötilan haihtuvuuden sekä korkeiden sulamis- ja kiehumispisteiden ansiosta ne voivat muodostaa lasifaaseja muiden raaka-aineiden kanssa ja edistää sintraamista tehden niistä tehokkaan lisäaineen. Samaan aikaan harvinaisten maametallien oksidi voi myös muodostaa kiinteän liuoksen keraamisen matriisin kanssa, mikä voi aiheuttaa kidevirheitä sisällä, aktivoida hilan ja edistää sintraamista.

② Paranna mikrorakennetta ja tarkenna raekokoa. Koska lisätyt harvinaisten maametallien oksidit ovat pääasiassa matriisin raerajoilla ja suuren tilavuutensa vuoksi harvinaisten maametallien oksideilla on korkea migraatiovastus rakenteessa, ja ne estävät myös muiden ionien kulkeutumista vähentäen siten jyvien rajojen migraationopeus, jyvien kasvun estäminen ja jyvien epänormaalin kasvun estäminen korkean lämpötilan sintrauksen aikana. Ne voivat saada pieniä ja yhtenäisiä rakeita, mikä edistää tiheiden rakenteiden muodostumista; Toisaalta harvinaisten maametallien oksideja dooppaamalla ne pääsevät raerajalasifaasiin parantaen lasifaasin lujuutta ja saavuttaen siten tavoitteen parantaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia.

Polymeerimatriisikomposiiteissa olevat harvinaiset maametallit vaikuttavat niihin pääasiassa parantamalla polymeerimatriisin ominaisuuksia. Harvinaisten maametallien oksidit voivat nostaa polymeerien lämpöhajoamislämpötilaa, kun taas harvinaisten maametallien karboksylaatit voivat parantaa polyvinyylikloridin lämpöstabiilisuutta. Polystyreenin seostus harvinaisilla maametalliyhdisteillä voi parantaa polystyreenin stabiilisuutta ja lisätä merkittävästi sen iskulujuutta ja taivutuslujuutta.