Ứng dụng đất hiếm trong vật liệu composite

Ứng dụng củaĐất 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 spin mạnh và các đặc tính khác. Khi tạo phức với các nguyên tố khác, số phối trí của chúng có thể thay đổi từ 6 đến 12. Các hợp chất đất hiếm có cấu trúc tinh thể đa dạng. Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt của đất hiếm khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong 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 không ngừng của vật liệu composite, ứng dụng của đất hiếm cũng mở rộng sang lĩnh vực vật liệu composite, thu hút sự chú ý rộng rãi trong việc cải thiện tính chất giao diện giữa các vật liệu không đồng nhất.

Các dạng ứng dụng chính của đất hiếm trong chế tạo vật liệu composite bao gồm: ① bổ sungkim loại đất hiếmđến vật liệu composite; ② Cộng dưới dạngoxit đất hiếmđến vật liệu composite; ③ 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 số ba hình thức ứng dụng đất hiếm ở trên, hai hình thức đầu tiên chủ yếu được thêm vào hỗn hợp ma trận kim loại, trong khi hình thức thứ ba chủ yếu được áp dụng cho vật liệu tổng hợp ma trận polymer và hỗn hợp ma trận gốm chủ yếu được thêm vào ở dạng thứ hai.

Đất hiếmchủ yếu tác động lên hỗn hợp ma trận kim loại và ma trận gốm dưới dạng phụ gia, chất ổn định và phụ gia thiêu kết, cải thiện đáng kể hiệu suất của chúng, giảm chi phí sản xuất và có thể ứng dụng công nghiệp.

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

① Cải thiện khả năng thấm ướt giữa nền 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 âm điện của phi kim càng mạnh). Ví dụ: La là 1,1, Ce là 1,12 và Y là 1,22. Độ âm điện của kim loại cơ bản phổ biến Fe là 1,83, Ni là 1,91 và Al là 1,61. Do đó, các nguyên tố đất hiếm sẽ ưu tiên hấp phụ trên ranh giới hạt của ma trận kim loại và pha gia cố trong quá trình nấu chảy, làm giảm năng lượng giao diện của chúng, tăng khả năng bám dính của giao diện, giảm góc làm ướt và do đó cải thiện khả năng thấm ướt giữa ma trận. và giai đoạn củng cố. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung nguyên tố La vào ma trận nhôm giúp cải thiện hiệu quả 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 và bán kính nguyên tử của ma trận kim loại tương đối nhỏ. Sự xâm nhập của các nguyên tố đất hiếm có bán kính lớn hơn vào mạng ma trận sẽ gây ra biến dạng mạng, từ đó làm tăng năng lượng của hệ. Để duy trì năng lượng tự do ở mức thấp nhất, các nguyên tử đất hiếm chỉ có thể làm giàu ở các ranh giới hạt không đều, điều này 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 phụ các nguyên tố hợp kim khác, làm tăng gradient nồng độ của các nguyên tố hợp kim, gây ra hiện tượng làm nguội thành phần cục bộ và tăng cường hiệu ứng tạo mầm không đồng nhất của ma trận kim loại lỏng. Ngoài ra, quá trình làm lạnh dưới mức gây ra bởi 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, từ đó thúc đẩy quá trình tinh chế các hạt ma trận kim loại.

③ Làm sạch ranh giới hạt. Do ái lực mạnh giữa các nguyên tố đất hiếm và các nguyên tố như O, S, P, N... nên năng lượng tự do hình thành tiêu chuẩn của các oxit, sunfua, photphua, 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 từ 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, từ đó làm sạch ranh giới hạt và cải thiện sức mạnh của nó.

Cần lưu ý rằng, do hoạt tính 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 phải được kiểm soát đặc biệt trong quá trình bổ sung.

Một số lượng lớn thực tiễn đã chứng minh rằng việc thêm các oxit đất hiếm làm chất ổn định, chất hỗ trợ thiêu kết và chất điều chỉnh doping vào hỗn hợp ma trận kim loại và ma trận 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 một chất phụ gia thiêu kết, nó có thể thúc đẩy quá trình thiêu kết và giảm độ xốp của vật liệu composite. Việc bổ sung các chất phụ gia thiêu kết là để tạo ra pha lỏng ở nhiệt độ cao, giảm nhiệt độ thiêu kết của vật liệu composite, ức chế sự phân hủy vật liệu ở nhiệt độ cao trong quá trình thiêu kết và thu được vật liệu composite dày 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 sôi cao của oxit đất hiếm, chúng có thể tạo thành các pha thủy tinh với các nguyên liệu thô khác và thúc đẩy quá trình thiêu kết, khiến chúng trở thành 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 tinh thể và thúc đẩy quá trình thiêu kết.

② Cải thiện cấu trúc vi mô và tinh chỉnh kích thước hạt. Do các oxit đất hiếm được thêm vào chủ yếu tồn tại ở ranh giới hạt của ma trận và do thể tích lớn nên các oxit đất hiếm có khả năng chống di chuyển cao trong cấu trúc, đồng thời 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 ở 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 các oxit đất hiếm, chúng đi vào pha thủy tinh ranh giới hạt, cải thiện độ bền của pha thủy tinh và nhờ đó đạt được mục tiêu cải thiện tính chất cơ học của vật liệu.

Các nguyên tố đất hiếm trong vật liệu tổng hợp nền polyme chủ yếu ảnh hưởng đến chúng bằng cách cải thiện các tính chất của nền polyme. Ôxit đất hiếm có thể làm tăng nhiệt độ phân hủy nhiệt của polyme, trong khi cacboxylat đất hiếm có thể cải thiện tính ổn định nhiệt của polyvinyl clorua. Pha tạp polystyrene với các hợp chất đất hiếm có thể cải thiện tính ổn định của polystyrene và tăng đáng kể độ bền va đập và độ bền uốn của nó.