Mikä on harvinaisten maametallien oksidien vaikutus keraamisissa pinnoitteissa?

Kolme tärkeintä kiinteää materiaalia ovat keramiikka, metallimateriaalit ja polymeerimateriaalit. Keraamisella materiaalilla on monia erinomaisia ​​ominaisuuksia, kuten korkean lämpötilan kestävyys, korroosionkestävyys ja kulutuskestävyys, koska keraamien atomisidosmuoto on ionisidos, kovalenttinen sidos tai sekoitettu ioni-kovalenttinen sidos, jolla on korkea sidosenergia. Keraaminen pinnoite voi muuttaa alustan ulkopinnan ulkonäköä, rakennetta ja suorituskykyä. Pinnoite-alustakomposiitti on suosittu uusien ominaisuuksiensa ansiosta. Se voi orgaanisesti yhdistää alustan alkuperäiset ominaisuudet keraamisten materiaalien korkean lämpötilan kestävyyden, korkean kulutuskestävyyden ja korkean korroosionkestävyyden ominaisuuksiin ja hyödyntää täysin näiden kahden materiaalityypin kattavia etuja, joten sitä käytetään laajalti ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, ilmailussa, maanpuolustuksessa, kemianteollisuudessa ja muilla teollisuudenaloilla.

Harvinaisia ​​maametalleja kutsutaan uusien materiaalien "aarreaitaksi" ainutlaatuisen 4f-elektronisen rakenteensa ja fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi. Puhtaita harvinaisia ​​maametalleja käytetään kuitenkin harvoin suoraan tutkimuksessa, ja enimmäkseen käytetään harvinaisten maametallien yhdisteitä. Yleisimmät yhdisteet ovat CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS ja harvinaisten maametallien ferropii. Nämä harvinaisten maametallien yhdisteet voivat parantaa keraamisten materiaalien ja keraamisten pinnoitteiden rakennetta ja ominaisuuksia.

Harvinaisten maametallien oksidien käyttö keraamisissa materiaaleissa

Harvinaisten maametallien lisääminen stabilointiaineiksi ja sintrausapuaineiksi erilaisiin keraamisiin materiaaleihin voi alentaa sintrauslämpötilaa, parantaa joidenkin rakennekeraamien lujuutta ja sitkeyttä ja siten alentaa tuotantokustannuksia. Samalla harvinaisilla maametalleilla on myös erittäin tärkeä rooli puolijohdekaasuantureissa, mikroaaltomateriaaleissa, pietsosähköisissä keraamissa ja muissa funktionaalisissa keraamissa. Tutkimuksessa havaittiin, että kahden tai useamman harvinaisten maametallien oksidin lisääminen alumiinioksidikeraamiin yhdessä on parempi vaihtoehto kuin yhden harvinaisten maametallien oksidin lisääminen alumiinioksidikeraamiin. Optimointitestin jälkeen Y2O3+CeO2-seoksella on paras vaikutus. Kun 0,2 % Y2O3+0,2 % CeO2-seosta lisätään 1490 ℃:ssa, sintrattujen näytteiden suhteellinen tiheys voi nousta 96,2 %:iin, mikä ylittää minkä tahansa harvinaisten maametallien oksidin Y2O3 tai CeO2:n tiheyden.

La2O3+Y2O3- ja Sm2O3+La2O3-yhdisteiden vaikutus sintrautumisen edistämisessä on parempi kuin pelkän La2O3:n lisääminen, ja kulutuskestävyys paranee selvästi. Tämä osoittaa myös, että kahden harvinaisen maametallin oksidin sekoittaminen ei ole yksinkertainen lisäys, vaan niiden välillä on vuorovaikutus, joka on edullisempaa alumiinioksidikeraamien sintrautumisen ja suorituskyvyn parantamisen kannalta, mutta periaatetta on vielä tutkittava.

Lisäksi on havaittu, että sekoitettujen harvinaisten maametallien oksidien lisääminen sintrausapuaineiksi voi parantaa materiaalien kulkeutumista, edistää MgO-keraamien sintrautumista ja parantaa tiheyttä. Kuitenkin, kun sekoitetun metallioksidin pitoisuus on yli 15 %, suhteellinen tiheys pienenee ja avoin huokoisuus kasvaa.

Toiseksi, harvinaisten maametallien oksidien vaikutus keraamisten pinnoitteiden ominaisuuksiin

Olemassa olevat tutkimukset osoittavat, että harvinaisten maametallien avulla voidaan hienontaa raekokoa, lisätä tiheyttä, parantaa mikrorakennetta ja puhdistaa rajapintaa. Niillä on ainutlaatuinen rooli keraamisten pinnoitteiden lujuuden, sitkeyden, kovuuden, kulutuskestävyyden ja korroosionkestävyyden parantamisessa, mikä parantaa keraamisten pinnoitteiden suorituskykyä tietyssä määrin ja laajentaa niiden käyttöaluetta.

1

Keraamisten pinnoitteiden mekaanisten ominaisuuksien parantaminen harvinaisten maametallien oksideilla

Harvinaisten maametallien oksidit voivat merkittävästi parantaa keraamisten pinnoitteiden kovuutta, taivutuslujuutta ja vetolujuutta. Kokeelliset tulokset osoittavat, että pinnoitteen vetolujuutta voidaan tehokkaasti parantaa käyttämällä Lao_2:ta lisäaineena Al2O3 + 3% TiO_2 -materiaalissa, ja vetolujuus voi nousta 27,36 MPa:han, kun Lao_2:n määrä on 6,0%. Kun Cr2O3-materiaaliin lisätään CeO2:ta massaosuudella 3,0–6,0 %, pinnoitteen vetolujuus on 18–25 MPa, mikä on suurempi kuin alkuperäinen 12–16 MPa. Kun CeO2-pitoisuus on kuitenkin 9,0 %, vetolujuus laskee 12–15 MPa:han.

2

Keraamisen pinnoitteen lämpöshokin kestävyyden parantaminen harvinaisilla maametalleilla

Lämpöshokinkestävyystesti on tärkeä testi, jolla arvioidaan laadullisesti pinnoitteen ja alustan välistä sidoslujuutta sekä pinnoitteen ja alustan välistä lämpölaajenemiskertoimen vastaavuutta. Se heijastaa suoraan pinnoitteen kykyä vastustaa kuoriutumista lämpötilan muuttuessa vuorotellen käytön aikana, ja se heijastaa myös pinnoitteen kykyä vastustaa mekaanista iskuväsymystä ja tarttumiskykyä alustaan ​​sivulta. Siksi se on myös keskeinen tekijä keraamisen pinnoitteen laadun arvioinnissa.

Tutkimus osoittaa, että 3,0 %:n CeO2-lisäys voi vähentää pinnoitteen huokoisuutta ja huokoskokoa sekä vähentää jännityspitoisuutta huokosten reunoilla, mikä parantaa Cr2O3-pinnoitteen lämpöshokinkestävyyttä. Al2O3-keraamisen pinnoitteen huokoisuus kuitenkin pieneni, ja pinnoitteen sidoslujuus ja lämpöshokin kestoikä paranivat huomattavasti LaO2:n lisäämisen jälkeen. Kun LaO2:n lisäysmäärä on 6 % (massaosuus), pinnoitteen lämpöshokin kestävyys on paras, ja lämpöshokin kestoikä voi olla jopa 218-kertainen, kun taas pinnoitteen lämpöshokin kestoikä ilman LaO2:ta on vain 163-kertainen.

3

Harvinaisten maametallien oksidit vaikuttavat pinnoitteiden kulutuskestävyyteen

Keraamisten pinnoitteiden kulutuskestävyyden parantamiseen käytetyt harvinaisten maametallien oksidit ovat enimmäkseen CeO2:ta ja La2O3:a. Niiden kuusikulmainen kerrosrakenne voi toimia hyvin voiteluominaisuuksien mukaisesti ja ylläpitää vakaat kemialliset ominaisuudet korkeissa lämpötiloissa, mikä voi tehokkaasti parantaa kulutuskestävyyttä ja vähentää kitkakerrointa.

Tutkimus osoittaa, että oikealla CeO2-määrällä valmistetun pinnoitteen kitkakerroin on pieni ja vakaa. On raportoitu, että La2O3:n lisääminen plasmaruiskutettuun nikkelipohjaiseen kermettipinnoitteeseen voi selvästi vähentää pinnoitteen kitkakulumista ja kitkakerrointa, ja kitkakerroin on vakaa ja vaihtelut ovat vähäisiä. Harvinaisia ​​maametalleja sisältämättömän verhouskerroksen kulutuspinnalla on voimakasta tarttuvuutta, haurasmurtumia ja lohkeilua. Harvinaisia ​​maametalleja sisältävällä pinnoitteella on kuitenkin heikko tarttuvuus kuluneeseen pintaan, eikä siinä ole merkkejä laaja-alaisesta haurasmurtumasta. Harvinaisten maametallien seostaman pinnoitteen mikrorakenne on tiheämpi ja kompaktimpi, ja huokoset ovat pienemmät, mikä vähentää mikroskooppisten hiukkasten kantamaa keskimääräistä kitkavoimaa ja vähentää kitkaa ja kulumista. Harvinaisten maametallien seostaminen voi myös lisätä kermettien kidetasojen etäisyyttä. Se johtaa kahden kidepinnan välisen vuorovaikutusvoiman muutokseen ja pienentää kitkakerrointa.

Yhteenveto:

Vaikka harvinaisten maametallien oksidit ovat saavuttaneet suuria saavutuksia keraamisten materiaalien ja pinnoitteiden käytössä, mikä voi tehokkaasti parantaa keraamisten materiaalien ja pinnoitteiden mikrorakennetta ja mekaanisia ominaisuuksia, on edelleen monia tuntemattomia ominaisuuksia, erityisesti kitkan ja kulumisen vähentämisessä. Materiaalien lujuuden ja kulutuskestävyyden yhdistäminen niiden voiteluominaisuuksiin on tullut tärkeäksi keskustelun arvoiseksi tribologian alan suuntaukseksi.

Puh: +86-21-20970332Sähköposti：info@shxlchem.com