Tillämpning avSällsynta jordartsmetalleri kompositmaterial
Sällsynta jordartsmetaller har en unik 4f-elektronstruktur, stort atommagnetiskt moment, stark spinnkoppling och andra egenskaper. När de bildar komplex med andra element kan deras koordinationstal variera från 6 till 12. Sällsynta jordartsmetallföreningar har en mängd olika kristallstrukturer. De speciella fysikaliska och kemiska egenskaperna hos sällsynta jordartsmetaller gör att de används i stor utsträckning vid smältning av högkvalitativt stål och icke-järnmetaller, specialglas och högpresterande keramik, permanentmagnetmaterial, vätelagringsmaterial, luminescerande och lasermaterial, kärnmaterial och andra områden. Med den kontinuerliga utvecklingen av kompositmaterial har tillämpningen av sällsynta jordartsmetaller också expanderat till området kompositmaterial, vilket lockar stor uppmärksamhet för att förbättra gränssnittsegenskaperna mellan heterogena material.
De huvudsakliga användningsområdena för sällsynta jordartsmetaller vid framställning av kompositmaterial inkluderar: ① tillsatssällsynta jordartsmetallertill kompositmaterial; ② Tillsätt i form avsällsynta jordartsmetalloxidertill kompositmaterialet; ③ Polymerer dopade eller bundna med sällsynta jordartsmetaller i polymerer används som matrismaterial i kompositmaterial. Bland de tre ovanstående formerna av tillämpning av sällsynta jordartsmetaller tillsätts de två första formerna mestadels till metallmatriskompositer, medan den tredje huvudsakligen appliceras på polymermatriskompositer, och den keramiska matriskompositen tillsätts huvudsakligen i den andra formen.
Sällsynta jordartsmetallerverkar huvudsakligen på metallmatris och keramisk matriskomposit i form av tillsatser, stabilisatorer och sintringstillsatser, vilket avsevärt förbättrar deras prestanda, minskar produktionskostnaderna och möjliggör industriell tillämpning.
Tillsatsen av sällsynta jordartsmetaller som tillsatser i kompositmaterial spelar huvudsakligen en roll för att förbättra gränssnittsprestanda hos kompositmaterial och främja förfining av metallmatriskorn. Verkningsmekanismen är följande.
① Förbättra vätbarheten mellan metallmatrisen och armeringsfasen. Elektronegativiteten hos sällsynta jordartsmetaller är relativt låg (ju mindre elektronegativiteten hos metaller, desto mer aktiv är elektronegativiteten hos icke-metaller). Till exempel är La 1,1, Ce 1,12 och Y 1,22. Elektronegativiteten hos den vanliga basmetallen Fe är 1,83, Ni 1,91 och Al 1,61. Därför kommer sällsynta jordartsmetaller att företrädesvis adsorbera på korngränserna mellan metallmatrisen och armeringsfasen under smältprocessen, vilket minskar deras gränssnittsenergi, ökar gränssnittets vidhäftningsarbete, minskar vätningsvinkeln och därigenom förbättrar vätbarheten mellan matrisen och armeringsfasen. Forskning har visat att tillsatsen av La-elementet till aluminiummatrisen effektivt förbättrar vätbarheten hos AlO och aluminiumvätska, och förbättrar mikrostrukturen hos kompositmaterial.
② Främjar förfining av metallmatriskorn. Lösligheten av sällsynta jordartsmetaller i metallkristaller är liten, eftersom atomradien för sällsynta jordartsmetaller är stor, och atomradien för metallmatrisen är relativt liten. Inträde av sällsynta jordartsmetaller med större radie i matrisgittret kommer att orsaka gitterförvrängning, vilket kommer att öka systemenergin. För att bibehålla den lägsta fria energin kan sällsynta jordartsmetallatomer endast anrika mot oregelbundna korngränser, vilket i viss mån hindrar matriskornens fria tillväxt. Samtidigt kommer de anrikade sällsynta jordartsmetallerna också att adsorbera andra legeringselement, vilket ökar koncentrationsgradienten för legeringselementen, orsakar lokal underkylning av komponenterna och förstärker den heterogena kärnbildningseffekten hos den flytande metallmatrisen. Dessutom kan underkylningen som orsakas av elementsegregation också främja bildandet av segregerade föreningar och bli effektiva heterogena kärnbildningspartiklar, vilket därigenom främjar förfining av metallmatriskornen.
③ Rena korngränserna. På grund av den starka affiniteten mellan sällsynta jordartsmetaller och element som O, S, P, N, etc., är den standardfria bildningsenergin för oxider, sulfider, fosfider och nitrider låg. Dessa föreningar har en hög smältpunkt och låg densitet, av vilka vissa kan avlägsnas genom att flyta upp från legeringsvätskan, medan andra är jämnt fördelade i kornet, vilket minskar segregeringen av föroreningar vid korngränsen, varigenom korngränsen renas och dess hållfasthet förbättras.
Det bör noteras att på grund av den höga aktiviteten och låga smältpunkten hos sällsynta jordartsmetaller, när de tillsätts till metallmatriskomposit, måste deras kontakt med syre kontrolleras särskilt under tillsatsprocessen.
Ett stort antal metoder har visat att tillsats av sällsynta jordartsmetalloxider som stabilisatorer, sintringshjälpmedel och dopningsmodifierare till olika metallmatriser och keramiska matriskompositer kan avsevärt förbättra materialens hållfasthet och seghet, minska deras sintringstemperatur och därmed minska produktionskostnaderna. Den huvudsakliga verkningsmekanismen är följande.
① Som sintringstillsats kan den främja sintring och minska porositeten i kompositmaterial. Tillsatsen av sintringstillsatser syftar till att generera en flytande fas vid höga temperaturer, minska sintringstemperaturen för kompositmaterial, hämma högtemperaturnedbrytning av material under sintringsprocessen och erhålla täta kompositmaterial genom flytande fassintring. På grund av den höga stabiliteten, svaga högtemperaturflyktigheten och höga smält- och kokpunkterna hos sällsynta jordartsmetalloxider kan de bilda glasfaser med andra råmaterial och främja sintring, vilket gör dem till ett effektivt tillsatsmedel. Samtidigt kan sällsynta jordartsmetalloxider också bilda fast lösning med den keramiska matrisen, vilket kan generera kristalldefekter inuti, aktivera gittret och främja sintring.
② Förbättra mikrostrukturen och förfina kornstorleken. På grund av att de tillsatta sällsynta jordartsoxiderna huvudsakligen finns vid matrisens korngränser, och på grund av sin stora volym, har sällsynta jordartsoxider hög migrationsresistens i strukturen, och hindrar även migrationen av andra joner, vilket minskar migrationshastigheten vid korngränserna, hämmar korntillväxt och hindrar onormal korntillväxt under högtemperatursintring. De kan erhålla små och enhetliga korn, vilket bidrar till bildandet av täta strukturer. Å andra sidan, genom att dopa sällsynta jordartsoxider, går de in i korngränsglasfasen, vilket förbättrar glasfasens hållfasthet och därmed uppnår målet att förbättra materialets mekaniska egenskaper.
Sällsynta jordartsmetaller i polymermatriskompositer påverkar dem huvudsakligen genom att förbättra polymermatrisens egenskaper. Oxider av sällsynta jordartsmetaller kan öka polymerernas termiska nedbrytningstemperatur, medan karboxylater av sällsynta jordartsmetaller kan förbättra den termiska stabiliteten hos polyvinylklorid. Dopning av polystyren med sällsynta jordartsmetallföreningar kan förbättra polystyrens stabilitet och avsevärt öka dess slaghållfasthet och böjhållfasthet.
Publiceringstid: 26 april 2023