Áp dụng đất hiếm trong vật liệu composite

Áp dụngTrái đất hiếmtrong vật liệu composite
Các nguyên tố đất hiếm có cấu trúc điện tử 4F độc đáo, mô men từ nguyên tử lớn, khớp nối quay mạnh và các đặc điểm khác. Khi hình thành các phức hợp với các yếu tố khác, số phối hợp của chúng có thể thay đổi từ 6 đến 12. Các hợp chất đất hiếm có nhiều cấu trúc tinh thể. Các đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt của đất hiếm làm cho chúng được sử dụng rộng rãi trong việc luyện thép chất lượng cao và kim loại màu chất lượng cao, thủy tinh đặc biệt và gốm hiệu suất cao, vật liệu nam châm vĩnh cửu, vật liệu lưu trữ hydro, vật liệu phát quang và laser, vật liệu hạt nhân và các trường khác. Với sự phát triển liên tục của các vật liệu composite, việc áp dụng đất hiếm cũng đã mở rộng sang lĩnh vực vật liệu composite, thu hút sự chú ý rộng rãi trong việc cải thiện các thuộc tính giao diện giữa các vật liệu không đồng nhất.

Các hình thức ứng dụng chính của đất hiếm trong việc chuẩn bị vật liệu composite bao gồm: Thêm vàokim loại đất hiếmđến vật liệu composite; ② Thêm dưới dạng củaoxit đất hiếmđến vật liệu tổng hợp; Các polyme pha tạp hoặc liên kết với các kim loại đất hiếm trong các polyme được sử dụng làm vật liệu ma trận trong vật liệu composite. Trong số ba dạng ứng dụng đất hiếm ở trên, hai dạng đầu tiên chủ yếu được thêm vào hỗn hợp ma trận kim loại, trong khi thứ ba chủ yếu được áp dụng cho vật liệu tổng hợp ma trận polymer và tổng hợp ma trận gốm chủ yếu được thêm vào ở dạng thứ hai.

Trái đất hiếmChủ yếu hoạt động trên ma trận kim loại và hỗn hợp ma trận gốm dưới dạng phụ gia, chất ổn định và chất thiêu kết, cải thiện đáng kể hiệu suất của chúng, giảm chi phí sản xuất và làm cho ứng dụng công nghiệp của nó có thể.

Việc bổ sung các yếu tố đất hiếm làm phụ gia trong vật liệu composite chủ yếu đóng vai trò trong việc cải thiện hiệu suất giao diện của vật liệu composite và thúc đẩy sự tinh chỉnh của các hạt ma trận kim loại. Cơ chế của hành động như sau.

Cải thiện tính ẩm ướt giữa ma trận kim loại và pha gia cố. Độ âm điện của các nguyên tố đất hiếm tương đối thấp (độ âm điện của kim loại càng nhỏ thì độ điện tử của các phi kim càng hoạt động mạnh). Ví dụ, LA là 1.1, CE là 1,12 và y là 1,22. Độ âm điện của kim loại cơ sở chung Fe là 1,83, NI là 1,91 và Al là 1,61. Do đó, các yếu tố đất hiếm sẽ ưu tiên hấp phụ trên các ranh giới hạt của ma trận kim loại và pha củng cố trong quá trình luyện kim, làm giảm năng lượng giao diện của chúng, làm tăng công việc bám dính của giao diện, giảm góc ướt và do đó cải thiện độ ẩm giữa ma trận và pha củng cố. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung nguyên tố LA vào ma trận nhôm cải thiện hiệu quả tính ẩm ướt của chất lỏng alo và nhôm, và cải thiện cấu trúc vi mô của vật liệu composite.

Thúc đẩy sự tinh chỉnh của các hạt ma trận kim loại. Độ hòa tan của đất hiếm trong tinh thể kim loại là nhỏ, bởi vì bán kính nguyên tử của các nguyên tố đất hiếm là lớn và bán kính nguyên tử của ma trận kim loại là tương đối nhỏ. Sự xâm nhập của các nguyên tố đất hiếm với bán kính lớn hơn vào mạng ma trận sẽ gây ra biến dạng mạng lưới, sẽ làm tăng năng lượng hệ thống. Để duy trì năng lượng tự do thấp nhất, các nguyên tử đất hiếm chỉ có thể làm giàu theo ranh giới hạt không đều, mà ở một mức độ nào đó cản trở sự phát triển tự do của các hạt ma trận. Đồng thời, các yếu tố đất hiếm được làm giàu cũng sẽ hấp thụ các yếu tố hợp kim khác, làm tăng độ dốc nồng độ của các yếu tố hợp kim, gây ra sự thiếu hụt thành phần cục bộ và tăng cường hiệu ứng tạo mầm không đồng nhất của ma trận kim loại lỏng. Ngoài ra, việc tạo ra sự phân tách nguyên tố cũng có thể thúc đẩy sự hình thành các hợp chất tách biệt và trở thành các hạt tạo mầm không đồng nhất hiệu quả, do đó thúc đẩy sự sàng lọc của các hạt ma trận kim loại.

Tinh chế ranh giới hạt. Do ái lực mạnh mẽ giữa các nguyên tố và nguyên tố đất hiếm như O, S, P, N, v.v., năng lượng tự do tiêu chuẩn của sự hình thành cho các oxit, sunfua, phosphide và nitrids thấp. Các hợp chất này có điểm nóng chảy cao và mật độ thấp, một số trong đó có thể được loại bỏ bằng cách nổi lên từ chất lỏng hợp kim, trong khi một số khác được phân phối đều trong hạt, làm giảm sự phân tách tạp chất ở ranh giới hạt, do đó tinh chế ranh giới hạt và cải thiện sức mạnh của nó.

Cần lưu ý rằng, do hoạt động cao và điểm nóng chảy thấp của kim loại đất hiếm, khi chúng được thêm vào hỗn hợp ma trận kim loại, sự tiếp xúc của chúng với oxy cần được kiểm soát đặc biệt trong quá trình bổ sung.

Một số lượng lớn các thực tiễn đã chứng minh rằng việc thêm các oxit đất hiếm làm chất ổn định, hỗ trợ thiêu kết và điều chỉnh doping vào ma trận kim loại và ma trận gốm khác nhau có thể cải thiện đáng kể sức mạnh và độ bền của vật liệu, giảm nhiệt độ thiêu kết của chúng và do đó giảm chi phí sản xuất. Cơ chế chính của hành động của nó như sau.

Là một phụ gia thiêu kết, nó có thể thúc đẩy thiêu kết và giảm độ xốp trong vật liệu composite. Việc bổ sung các phụ gia thiêu kết là tạo ra một pha lỏng ở nhiệt độ cao, làm giảm nhiệt độ thiêu kết của vật liệu composite, ức chế sự phân hủy nhiệt độ cao của vật liệu trong quá trình thiêu kết và thu được vật liệu tổng hợp dày đặc thông qua thiêu kết pha lỏng. Do độ ổn định cao, biến động nhiệt độ cao yếu, và các điểm nóng chảy và sôi cao của các oxit đất hiếm, chúng có thể tạo thành các pha thủy tinh với các nguyên liệu thô khác và thúc đẩy thiêu kết, làm cho chúng trở thành một chất phụ gia hiệu quả. Đồng thời, oxit đất hiếm cũng có thể tạo thành dung dịch rắn với ma trận gốm, có thể tạo ra các khuyết tật tinh thể bên trong, kích hoạt mạng và thúc đẩy thiêu kết.

Cải thiện cấu trúc vi mô và tinh chỉnh kích thước hạt. Do thực tế là các oxit đất quý hiếm được thêm vào chủ yếu tồn tại ở ranh giới hạt của ma trận, và do khối lượng lớn của chúng, các oxit đất hiếm có khả năng di chuyển cao trong cấu trúc, và cũng cản trở sự di chuyển của các ion khác, do đó làm giảm tốc độ di chuyển của ranh giới hạt, ức chế sự tăng trưởng của hạt. Chúng có thể có được các hạt nhỏ và đồng đều, có lợi cho sự hình thành các cấu trúc dày đặc; Mặt khác, bằng cách pha tạp các oxit đất hiếm, chúng bước vào pha thủy tinh ranh giới hạt, cải thiện sức mạnh của pha thủy tinh và do đó đạt được mục tiêu cải thiện các tính chất cơ học của vật liệu.

Các nguyên tố đất hiếm trong vật liệu tổng hợp ma trận polymer chủ yếu ảnh hưởng đến chúng bằng cách cải thiện các tính chất của ma trận polymer. Các oxit đất hiếm có thể làm tăng nhiệt độ phân hủy nhiệt của polyme, trong khi carboxylat đất hiếm có thể cải thiện độ ổn định nhiệt của polyvinyl clorua. Doping polystyrene với các hợp chất đất hiếm có thể cải thiện sự ổn định của polystyrene và làm tăng đáng kể độ bền tác động và sức mạnh uốn của nó.