Paglalapat ng Rare Earth sa Composite Materials

Paglalapat ngRare Earthsa Composite Materials
Ang mga elemento ng rare earth ay may natatanging 4f electronic structure, malaking atomic magnetic moment, malakas na spin coupling at iba pang katangian. Kapag bumubuo ng mga complex sa iba pang mga elemento, ang kanilang numero ng koordinasyon ay maaaring mag-iba mula 6 hanggang 12. Ang mga rare earth compound ay may iba't ibang mga istrukturang kristal. Ang mga espesyal na pisikal at kemikal na katangian ng mga bihirang lupa ay ginagawang malawakang ginagamit ang mga ito sa pagtunaw ng mga de-kalidad na bakal at non-ferrous na mga metal, espesyal na salamin at mataas na pagganap na ceramics, permanenteng magnet na materyales, hydrogen storage materials, luminescent at laser materials, nuclear materials. , at iba pang larangan. Sa patuloy na pag-unlad ng mga pinagsama-samang materyales, ang paggamit ng mga bihirang lupa ay lumawak din sa larangan ng mga pinagsama-samang materyales, na umaakit ng malawakang atensyon sa pagpapabuti ng mga katangian ng interface sa pagitan ng mga heterogenous na materyales.

Ang mga pangunahing paraan ng aplikasyon ng rare earth sa paghahanda ng composite materials ay kinabibilangan ng: ① pagdaragdagmga metal na bihirang lupasa mga pinagsama-samang materyales; ② Idagdag sa anyo ngbihirang lupa oxidessa pinagsama-samang materyal; ③ Ang mga polymer na doped o pinagbuklod ng mga rare earth metal sa polymer ay ginagamit bilang mga materyales ng matrix sa mga composite na materyales. Kabilang sa tatlong mga paraan sa itaas ng aplikasyon ng bihirang lupa, ang unang dalawang anyo ay kadalasang idinagdag sa metal matrix composite, habang ang pangatlo ay pangunahing inilalapat sa polymer matrix composites, at ang ceramic matrix composite ay pangunahing idinagdag sa pangalawang anyo.

Rare earthpangunahing gumaganap sa metal matrix at ceramic matrix composite sa anyo ng mga additives, stabilizer, at sintering additives, na lubos na nagpapabuti sa kanilang pagganap, binabawasan ang mga gastos sa produksyon, at ginagawang posible ang pang-industriyang aplikasyon nito.

Ang pagdaragdag ng mga bihirang elemento ng lupa bilang mga additives sa mga composite na materyales ay pangunahing gumaganap ng isang papel sa pagpapabuti ng pagganap ng interface ng mga composite na materyales at pagtataguyod ng pagpipino ng mga butil ng metal matrix. Ang mekanismo ng pagkilos ay ang mga sumusunod.

① Pahusayin ang pagkabasa sa pagitan ng metal matrix at ng reinforcing phase. Ang electronegativity ng rare earth elements ay medyo mababa (mas maliit ang electronegativity ng mga metal, mas aktibo ang electronegativity ng nonmetals). Halimbawa, ang La ay 1.1, Ce ay 1.12, at Y ay 1.22. Ang electronegativity ng karaniwang base metal Fe ay 1.83, Ni ay 1.91, at Al ay 1.61. Samakatuwid, ang mga bihirang elemento ng lupa ay mas gustong mag-adsorb sa mga hangganan ng butil ng metal matrix at reinforcement phase sa panahon ng proseso ng smelting, binabawasan ang kanilang enerhiya sa interface, pinatataas ang adhesion work ng interface, binabawasan ang anggulo ng basa, at sa gayon ay nagpapabuti ng pagkabasa sa pagitan ng matrix. at yugto ng pagpapatibay. Ipinakita ng pananaliksik na ang pagdaragdag ng elemento ng La sa aluminum matrix ay epektibong nagpapabuti sa pagkabasa ng AlO at aluminum liquid, at pinapabuti ang microstructure ng mga composite na materyales.

② Isulong ang pagpipino ng mga butil ng metal matrix. Ang solubility ng rare earth sa metal crystal ay maliit, dahil ang atomic radius ng rare earth elements ay malaki, at ang atomic radius ng metal matrix ay medyo maliit. Ang pagpasok ng mga elemento ng rare earth na may mas malaking radius sa matrix lattice ay magdudulot ng distortion ng lattice, na magpapataas ng enerhiya ng system. Upang mapanatili ang pinakamababang libreng enerhiya, ang mga bihirang atom ng lupa ay maaari lamang magpayaman patungo sa hindi regular na mga hangganan ng butil, na sa ilang mga lawak ay humahadlang sa libreng paglaki ng mga butil ng matrix. Kasabay nito, ang pinayaman na mga elemento ng bihirang lupa ay mag-adsorb din ng iba pang mga elemento ng haluang metal, na nagpapataas ng gradient ng konsentrasyon ng mga elemento ng haluang metal, na nagiging sanhi ng pag-undercooling ng lokal na bahagi, at pagpapahusay ng heterogenous na epekto ng nucleation ng likidong metal matrix. Bilang karagdagan, ang undercooling na dulot ng elemental na segregation ay maaari ring magsulong ng pagbuo ng mga segregated compound at maging epektibong heterogenous nucleation particle, at sa gayon ay nagpo-promote ng refinement ng metal matrix grains.

③ Linisin ang mga hangganan ng butil. Dahil sa malakas na pagkakaugnay sa pagitan ng mga elemento ng bihirang lupa at mga elemento tulad ng O, S, P, N, atbp., mababa ang karaniwang libreng enerhiya ng pagbuo para sa mga oxide, sulfides, phosphides, at nitride. Ang mga compound na ito ay may mataas na punto ng pagkatunaw at mababang density, ang ilan sa mga ito ay maaaring alisin sa pamamagitan ng paglutang pataas mula sa haluang metal na likido, habang ang iba ay pantay na ipinamamahagi sa loob ng butil, na binabawasan ang paghihiwalay ng mga impurities sa hangganan ng butil, sa gayon ay nililinis ang hangganan ng butil at pagpapabuti ng lakas nito.

Dapat tandaan na, dahil sa mataas na aktibidad at mababang punto ng pagkatunaw ng mga bihirang metal na lupa, kapag sila ay idinagdag sa metal matrix composite, ang kanilang pakikipag-ugnay sa oxygen ay kailangang espesyal na kontrolado sa panahon ng proseso ng pagdaragdag.

Ang isang malaking bilang ng mga kasanayan ay nagpatunay na ang pagdaragdag ng mga bihirang earth oxide bilang mga stabilizer, sintering aid, at doping modifier sa iba't ibang metal matrix at ceramic matrix composite ay maaaring lubos na mapabuti ang lakas at tibay ng mga materyales, bawasan ang kanilang sintering temperature, at sa gayon ay mabawasan ang mga gastos sa produksyon. Ang pangunahing mekanismo ng pagkilos nito ay ang mga sumusunod.

① Bilang isang additive ng sintering, maaari itong magsulong ng sintering at mabawasan ang porosity sa mga composite na materyales. Ang pagdaragdag ng mga additives ng sintering ay upang makabuo ng liquid phase sa mataas na temperatura, bawasan ang sintering temperature ng composite materials, pagbawalan ang high-temperature decomposition ng mga materyales sa panahon ng proseso ng sintering, at makakuha ng siksik na composite na materyales sa pamamagitan ng liquid phase sintering. Dahil sa mataas na katatagan, mahinang pagkasumpungin ng mataas na temperatura, at mataas na mga punto ng pagkatunaw at pagkulo ng mga rare earth oxide, maaari silang bumuo ng mga glass phase kasama ng iba pang mga hilaw na materyales at magsulong ng sintering, na ginagawa itong isang epektibong additive. Kasabay nito, ang rare earth oxide ay maaari ding bumuo ng solidong solusyon na may ceramic matrix, na maaaring makabuo ng mga depekto ng kristal sa loob, i-activate ang sala-sala at itaguyod ang sintering.

② Pagbutihin ang microstructure at pinuhin ang laki ng butil. Dahil sa ang katunayan na ang idinagdag na mga bihirang earth oxide ay pangunahing umiiral sa mga hangganan ng butil ng matrix, at dahil sa kanilang malaking volume, ang mga bihirang earth oxide ay may mataas na paglaban sa paglipat sa istraktura, at pinipigilan din ang paglipat ng iba pang mga ion, sa gayon ay binabawasan ang rate ng paglipat ng mga hangganan ng butil, pagpigil sa paglaki ng butil, at paghadlang sa abnormal na paglaki ng mga butil sa panahon ng mataas na temperatura na sintering. Maaari silang makakuha ng maliliit at pare-parehong butil, na nakakatulong sa pagbuo ng mga siksik na istruktura; Sa kabilang banda, sa pamamagitan ng doping rare earth oxides, pumapasok sila sa grain boundary glass phase, pinapabuti ang lakas ng glass phase at sa gayon ay nakakamit ang layunin ng pagpapabuti ng mga mekanikal na katangian ng materyal.

Ang mga bihirang elemento ng lupa sa polymer matrix composites ay pangunahing nakakaapekto sa kanila sa pamamagitan ng pagpapabuti ng mga katangian ng polymer matrix. Ang mga rare earth oxide ay maaaring tumaas ang thermal decomposition temperature ng polymers, habang ang rare earth carboxylates ay maaaring mapabuti ang thermal stability ng polyvinyl chloride. Ang doping polystyrene na may mga compound ng bihirang lupa ay maaaring mapabuti ang katatagan ng polystyrene at makabuluhang tumaas ang lakas ng epekto nito at lakas ng baluktot.