Vilken är inverkan av sällsynta jordartsmetalloxider i keramiska beläggningar?

Keramik, metallmaterial och polymermaterial listas som de tre viktigaste fasta materialen. Keramik har många utmärkta egenskaper, såsom hög temperaturbeständighet, korrosionsbeständighet, slitstyrka etc., eftersom keramikens atomära bindningsmetod är jonbindning, kovalent bindning eller blandad jon-kovalent bindning med hög bindningsenergi. Keramisk beläggning kan förändra utseendet, strukturen och prestandan hos substratets yttre yta. Beläggnings-substratkomposit är föredragen för sin nya prestanda. Den kan organiskt kombinera substratets ursprungliga egenskaper med egenskaperna hög temperaturbeständighet, hög slitstyrka och hög korrosionsbeständighet hos keramiska material, och ge full användning av de omfattande fördelarna med de två typerna av material, så det används ofta inom flyg- och rymdindustrin, flygindustrin, nationellt försvar, kemisk industri och andra industrier.

Sällsynta jordartsmetaller kallas för "skattkammaren" av nya material på grund av dess unika 4f-elektronstruktur och fysikaliska och kemiska egenskaper. Rena sällsynta jordartsmetaller används dock sällan direkt i forskning, och mest används sällsynta jordartsföreningar. De vanligaste föreningarna är CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS och sällsynta jordartsmetaller av ferrokisel. Dessa sällsynta jordartsföreningar kan förbättra strukturen och egenskaperna hos keramiska material och keramiska beläggningar.

I tillämpning av sällsynta jordartsmetalloxider i keramiska material

Att tillsätta sällsynta jordartsmetaller som stabilisatorer och sintringshjälpmedel till olika keramer kan minska sintringstemperaturen, förbättra styrkan och segheten hos vissa strukturella keramer och därmed minska produktionskostnaden. Samtidigt spelar sällsynta jordartsmetaller också en mycket viktig roll i halvledargassensorer, mikrovågsmedier, piezoelektriska keramer och andra funktionella keramer. Forskningen visade att det är bättre att tillsätta två eller flera sällsynta jordartsmetalloxider till aluminiumoxidkeramik tillsammans än att tillsätta en enda sällsynt jordartsmetalloxid till aluminiumoxidkeramik. Efter optimeringstest har Y2O3+CeO2 bäst effekt. När 0,2 % Y2O3+0,2 %CeO2 tillsätts vid 1490 ℃ kan den relativa densiteten hos sintrade prover nå 96,2 %, vilket överstiger densiteten hos prover med enbart sällsynt jordartsmetalloxid Y2O3 eller CeO2.

Effekten av La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 för att främja sintring är bättre än att endast tillsätta La2O3, och slitstyrkan förbättras uppenbarligen. Det visar också att blandningen av två sällsynta jordartsmetalloxider inte är en enkel tillsats, utan att det finns en interaktion mellan dem, vilket är mer fördelaktigt för sintring och prestandaförbättring av aluminiumoxidkeramik, men principen återstår att studera.

Dessutom har det visat sig att tillsats av blandade sällsynta jordartsmetalloxider som sintringshjälpmedel kan förbättra materialmigrationen, främja sintringen av MgO-keramik och förbättra densiteten. Men när innehållet av blandad metalloxid är mer än 15 % minskar den relativa densiteten och den öppna porositeten ökar.

För det andra, inverkan av sällsynta jordartsmetalloxider på egenskaperna hos keramiska beläggningar

Befintlig forskning visar att sällsynta jordartsmetaller kan förfina kornstorleken, öka densiteten, förbättra mikrostrukturen och rena gränssnittet. De spelar en unik roll för att förbättra styrkan, segheten, hårdheten, slitstyrkan och korrosionsbeständigheten hos keramiska beläggningar, vilket i viss mån förbättrar prestandan hos keramiska beläggningar och breddar användningsområdet för keramiska beläggningar.

1

Förbättring av mekaniska egenskaper hos keramiska beläggningar med sällsynta jordartsmetalloxider

Oxider av sällsynta jordartsmetaller kan avsevärt förbättra hårdheten, böjhållfastheten och draghållfastheten hos keramiska beläggningar. De experimentella resultaten visar att beläggningens draghållfasthet effektivt kan förbättras genom att använda Lao-2 som tillsats i Al2O3+3% TiO-2-materialet, och draghållfastheten kan nå 27,36 MPa när mängden Lao-2 är 6,0%. Genom att tillsätta CeO2 med en massfraktion på 3,0% och 6,0% till Cr2O3-materialet ligger beläggningens draghållfasthet mellan 18~25 MPa, vilket är större än de ursprungliga 12~16 MPa. Men när CeO2-halten är 9,0% minskar draghållfastheten till 12~15 MPa.

2

Förbättring av termisk chockbeständighet hos keramisk beläggning med sällsynta jordartsmetaller

Termisk chockmotståndstest är ett viktigt test för att kvalitativt återspegla bindningsstyrkan mellan beläggning och substrat och matchningen av värmeutvidgningskoefficienten mellan beläggning och substrat. Det återspeglar direkt beläggningens förmåga att motstå flagning när temperaturen ändras växelvis under användning, och återspeglar även beläggningens förmåga att motstå mekanisk chockutmattning och bindningsförmåga med substrat från sidan. Därför är det också en nyckelfaktor för att bedöma kvaliteten på den keramiska beläggningen.

Forskningen visar att tillsats av 3,0 % CeO2 kan minska porositeten och porstorleken i beläggningen, och minska spänningskoncentrationen vid porkanten, vilket förbättrar Cr2O3-beläggningens termiska chockmotstånd. Porositeten hos den keramiska Al2O3-beläggningen minskade dock, och bindningsstyrkan och beläggningens livslängd vid termisk chock ökade markant efter tillsats av LaO2. När den tillsatta mängden LaO2 är 6 % (massfraktion) är beläggningens termiska chockmotstånd bäst, och livslängden vid termisk chock kan uppgå till 218 gånger, medan livslängden vid termisk chock för beläggningen utan LaO2 bara är 163 gånger.

3

Oxider av sällsynta jordartsmetaller påverkar beläggningarnas slitstyrka

De sällsynta jordartsmetalloxider som används för att förbättra slitstyrkan hos keramiska beläggningar är mestadels CeO2 och La2O3. Deras hexagonala skiktstruktur kan uppvisa god smörjfunktion och bibehålla stabila kemiska egenskaper vid hög temperatur, vilket effektivt kan förbättra slitstyrkan och minska friktionskoefficienten.

Forskning visar att friktionskoefficienten för beläggningen med rätt mängd CeO2 är liten och stabil. Det har rapporterats att tillsats av La2O3 till plasmasprutad nickelbaserad cermetbeläggning uppenbarligen kan minska friktionsslitage och friktionskoefficient för beläggningen, och friktionskoefficienten är stabil med liten fluktuation. Slitytan på beklädnadslagret utan sällsynta jordartsmetaller uppvisar allvarlig vidhäftning och sprödbrott och splittring. Beläggningar som innehåller sällsynta jordartsmetaller uppvisar dock svag vidhäftning på den slitna ytan, och det finns inga tecken på sprödsplittring över stora ytor. Mikrostrukturen hos den sällsynta jordartsmetalldopade beläggningen är tätare och mer kompakt, och porerna är reducerade, vilket minskar den genomsnittliga friktionskraften som bärs av mikroskopiska partiklar och minskar friktion och slitage. Dopning av sällsynta jordartsmetaller kan också öka kristallplanavståndet för cermet. Det leder till en förändring av växelverkan mellan de två kristallytorna och minskar friktionskoefficienten.

Sammanfattning:

Även om sällsynta jordartsmetalloxider har gjort stora framsteg inom tillämpningen av keramiska material och beläggningar, vilket effektivt kan förbättra mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna hos keramiska material och beläggningar, finns det fortfarande många okända egenskaper, särskilt när det gäller att minska friktion och slitage. Hur man får materialens styrka och slitstyrka att samverka med deras smörjegenskaper har blivit en viktig riktning värd att diskutera inom tribologiområdet.

Tel: +86-21-20970332E-post：info@shxlchem.com