Ứng dụng của đất hiếm trong vật liệu composite

Ứng dụng củaĐất hiếmtrong Vật liệu tổng hợp
Các nguyên tố đất hiếm có cấu trúc điện tử 4f độc đáo, mômen từ nguyên tử lớn, liên kết spin mạnh và các đặc điểm khác. Khi tạo thành phức chất với các nguyên tố khác, số phối trí của chúng có thể thay đổi từ 6 đến 12. Các hợp chất đất hiếm có nhiều cấu trúc tinh thể. Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt của đất hiếm khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong quá trình nấu chảy thép chất lượng cao và kim loại màu, 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 lĩnh vực khác. Với sự phát triển liên tục của vật liệu composite, ứng dụng của đất hiếm cũng đã mở rộng sang lĩnh vực vật liệu composite, thu hút sự chú ý rộng rãi trong việc cải thiện các tính chất giao diện giữa các vật liệu không đồng nhất.

Các dạng ứng dụng chính của đất hiếm trong việc chế tạo vật liệu composite bao gồm: ① thêmkim loại đất hiếmđến vật liệu tổng hợp; ② Thêm vào dưới dạngoxit đất hiếmđối với vật liệu composite; ③ Các polyme được pha tạp hoặc liên kết với kim loại đất hiếm trong polyme được sử dụng làm vật liệu nền trong vật liệu composite. Trong ba dạng ứng dụng đất hiếm nêu trên, hai dạng đầu tiên chủ yếu được thêm vào composite nền kim loại, trong khi dạng thứ ba chủ yếu được áp dụng cho composite nền polyme và composite nền gốm chủ yếu được thêm vào dạng thứ hai.

Đất hiếmchủ yếu tác động lên vật liệu nền kim loại và vật liệu nền gốm dưới dạng phụ gia, chất ổn định và phụ gia thiêu kết, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất, giảm chi phí sản xuất và có thể ứng dụng trong công nghiệp.

Việc bổ sung các nguyên tố đất hiếm làm chất phụ gia trong vật liệu composite chủ yếu có tác dụng cải thiện hiệu suất giao diện của vật liệu composite và thúc đẩy quá trình tinh chế các hạt nền kim loại. Cơ chế hoạt động như sau.

① Cải thiện khả năng thấm ướt giữa nền kim loại và pha gia cường. Độ âm điện của các nguyên tố đất hiếm tương đối thấp (độ âm điện của kim loại càng nhỏ thì độ âm điện của 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 bản thông thường Fe là 1,83, Ni là 1,91 và Al là 1,61. Do đó, các nguyên tố đất hiếm sẽ hấp phụ ưu tiên trên ranh giới hạt của nền kim loại và pha gia cường trong quá trình nấu chảy, làm giảm năng lượng giao diện của chúng, tăng công bám dính của giao diện, giảm góc thấm ướt và do đó cải thiện khả năng thấm ướt giữa nền và pha gia cường. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung nguyên tố La vào nền nhôm có hiệu quả cải thiện khả năng thấm ướt của AlO và chất lỏng nhôm, đồng thời cải thiện cấu trúc vi mô của vật liệu composite.

② Thúc đẩy quá trình tinh chế các hạt ma trận kim loại. Độ hòa tan của đất hiếm trong tinh thể kim loại nhỏ, vì bán kính nguyên tử của các nguyên tố đất hiếm lớn, còn bán kính nguyên tử của ma trận kim loại tương đối nhỏ. Các nguyên tố đất hiếm có bán kính lớn hơn đi vào mạng lưới ma trận sẽ gây ra sự biến dạng mạng lưới, làm tăng năng lượng của 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, ở một mức độ nào đó cản trở sự phát triển tự do của các hạt ma trận. Đồng thời, các nguyên tố đất hiếm được làm giàu cũng sẽ hấp thụ các nguyên tố hợp kim khác, làm tăng gradien nồng độ của các nguyên tố hợp kim, gây ra hiện tượng hạ nhiệt cục bộ của các thành phần và tăng cường hiệu ứng hình thành hạt không đồng nhất của ma trận kim loại lỏng. Ngoài ra, hiện tượng hạ nhiệt do sự phân tách nguyên tố cũng có thể thúc đẩy sự hình thành các hợp chất phân tách và trở thành các hạt hình thành hạt không đồng nhất có hiệu quả, do đó thúc đẩy quá trình tinh chế các hạt ma trận kim loại.

③ Làm sạch ranh giới hạt. Do các nguyên tố đất hiếm và các nguyên tố như O, S, P, N, v.v. có ái lực mạnh nên năng lượng tự do tiêu chuẩn hình thành đối với oxit, sulfua, photphua và nitrua thấp. Các hợp chất này có điểm nóng chảy cao và mật độ thấp, một số có thể được loại bỏ bằng cách nổi lên khỏi chất lỏng hợp kim, trong khi một số khác được phân bố đều trong hạt, làm giảm sự phân tách tạp chất ở ranh giới hạt, do đó làm sạch ranh giới hạt và cải thiện độ bền của nó.

Cần lưu ý rằng, do kim loại đất hiếm có hoạt tính cao và nhiệt độ nóng chảy thấp nên khi thêm chúng vào vật liệu composite nền kim loại, cần kiểm soát đặc biệt sự tiếp xúc của chúng với oxy trong quá trình bổ sung.

Nhiều thực nghiệm đã chứng minh rằng việc thêm oxit đất hiếm làm chất ổn định, chất trợ thiêu kết và chất điều chỉnh pha tạp vào các loại vật liệu nền kim loại và vật liệu nền gốm khác nhau có thể cải thiện đáng kể độ bền và độ dẻo dai của vật liệu, giảm nhiệt độ thiêu kết của chúng và do đó giảm chi phí sản xuất. Cơ chế hoạt động chính của nó như sau.

① Là phụ gia thiêu kết, nó có thể thúc đẩy quá trình thiêu kết và giảm độ xốp trong vật liệu composite. Việc bổ sung phụ gia thiêu kết là tạo ra pha lỏng ở nhiệt độ cao, giảm nhiệt độ thiêu kết của vật liệu composite, ức chế sự phân hủy ở nhiệt độ cao của vật liệu trong quá trình thiêu kết và thu được vật liệu composite đặc thông qua quá trình thiêu kết pha lỏng. Do độ ổn định cao, độ bay hơi ở nhiệt độ cao yếu và điểm nóng chảy và điểm sôi cao của oxit đất hiếm, chúng có thể tạo thành pha thủy tinh với các nguyên liệu thô khác và thúc đẩy quá trình thiêu kết, khiến chúng trở thành 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 tinh thể và thúc đẩy quá trình thiêu kết.

② Cải thiện cấu trúc vi mô và tinh chỉnh kích thước hạt. Do oxit đất hiếm được thêm vào chủ yếu tồn tại ở ranh giới hạt của ma trận và do thể tích lớn, oxit đất hiếm có khả năng chống 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 phát triển của hạt và cản trở sự phát triển bất thường của hạt trong quá trình thiêu kết nhiệt độ cao. Chúng có thể thu được các hạt nhỏ và đồng đều, có lợi cho việc hình thành các cấu trúc dày đặc; Mặt khác, bằng cách pha tạp oxit đất hiếm, chúng đi vào pha thủy tinh ranh giới hạt, cải thiện độ bền 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 composite nền polyme chủ yếu ảnh hưởng đến chúng bằng cách cải thiện các tính chất của nền polyme. Oxit đất hiếm có thể làm tăng nhiệt độ phân hủy nhiệt của polyme, trong khi các cacboxylat đất hiếm có thể cải thiện độ ổn định nhiệt của polyvinyl clorua. Pha tạp polystyrene với các hợp chất đất hiếm có thể cải thiện độ ổn định của polystyrene và làm tăng đáng kể độ bền va đập và độ bền uốn của nó.