UygulamasıNadir ToprakKompozit Malzemelerde
Nadir toprak elementleri benzersiz 4f elektronik yapıya, büyük atomik manyetik momente, güçlü spin kuplajına ve diğer özelliklere sahiptir. Diğer elementlerle kompleksler oluştururken koordinasyon sayıları 6 ila 12 arasında değişebilir. Nadir toprak bileşikleri çeşitli kristal yapılara sahiptir. Nadir toprakların özel fiziksel ve kimyasal özellikleri, bunların yüksek kaliteli çelik ve demir dışı metallerin, özel cam ve yüksek performanslı seramiklerin, kalıcı mıknatıs malzemelerinin, hidrojen depolama malzemelerinin, lüminesan ve lazer malzemelerinin, nükleer malzemelerin ve diğer alanların eritilmesinde yaygın olarak kullanılmasını sağlar. Kompozit malzemelerin sürekli geliştirilmesiyle, nadir toprakların uygulaması da kompozit malzemeler alanına genişlemiş ve heterojen malzemeler arasındaki arayüz özelliklerinin iyileştirilmesinde yaygın ilgi görmüştür.
Nadir toprak elementinin kompozit malzemelerin hazırlanmasında başlıca uygulama biçimleri şunlardır: ① eklemenadir toprak metallerikompozit malzemelere; ② şeklinde ekleyinnadir toprak oksitlerikompozit malzemeye; ③ Polimerlerde nadir toprak metalleriyle katkılanmış veya bağlanmış polimerler, kompozit malzemelerde matris malzemesi olarak kullanılır. Yukarıdaki üç nadir toprak uygulama biçimi arasında, ilk iki biçim çoğunlukla metal matris kompozite eklenirken, üçüncüsü çoğunlukla polimer matris kompozitlere uygulanır ve seramik matris kompozit çoğunlukla ikinci biçimde eklenir.
Nadir toprakesas olarak katkı maddeleri, stabilizatörler ve sinterleme katkı maddeleri şeklinde metal matris ve seramik matris kompozitler üzerinde etki ederek performanslarını büyük ölçüde iyileştirmekte, üretim maliyetlerini düşürmekte ve endüstriyel uygulamasını mümkün kılmaktadır.
Nadir toprak elementlerinin kompozit malzemelere katkı maddesi olarak eklenmesi esas olarak kompozit malzemelerin arayüz performansını iyileştirmede ve metal matris tanelerinin rafine edilmesini teşvik etmede rol oynar. Etki mekanizması aşağıdaki gibidir.
① Metal matris ile takviye fazı arasındaki ıslanabilirliği artırın. Nadir toprak elementlerinin elektronegatifliği nispeten düşüktür (metallerin elektronegatifliği ne kadar küçükse, ametallerin elektronegatifliği o kadar aktiftir). Örneğin, La 1,1, Ce 1,12 ve Y 1,22'dir. Yaygın baz metal Fe'nin elektronegatifliği 1,83, Ni 1,91 ve Al 1,61'dir. Bu nedenle, nadir toprak elementleri eritme işlemi sırasında metal matrisin ve takviye fazının tane sınırlarına tercihen adsorbe olacak, arayüz enerjilerini azaltacak, arayüzün yapışma işini artıracak, ıslatma açısını azaltacak ve böylece matris ile takviye fazı arasındaki ıslanabilirliği iyileştirecektir. Araştırmalar, alüminyum matrisine La elementinin eklenmesinin Al2O3 ve alüminyum sıvısının ıslanabilirliğini etkili bir şekilde iyileştirdiğini ve kompozit malzemelerin mikro yapısını iyileştirdiğini göstermiştir.
② Metal matris tanelerinin rafine edilmesini teşvik edin. Nadir toprak elementlerinin metal kristalindeki çözünürlüğü küçüktür, çünkü nadir toprak elementlerinin atom yarıçapı büyüktür ve metal matrisin atom yarıçapı nispeten küçüktür. Daha büyük yarıçapa sahip nadir toprak elementlerinin matris kafesine girmesi, kafes bozulmasına neden olacak ve bu da sistem enerjisini artıracaktır. En düşük serbest enerjiyi korumak için, nadir toprak atomları yalnızca düzensiz tane sınırlarına doğru zenginleşebilir, bu da bir dereceye kadar matris tanelerinin serbest büyümesini engeller. Aynı zamanda, zenginleştirilmiş nadir toprak elementleri diğer alaşım elementlerini de adsorbe ederek alaşım elementlerinin konsantrasyon gradyanını artıracak, yerel bileşen alt soğumasına neden olacak ve sıvı metal matrisin heterojen nükleasyon etkisini artıracaktır. Ek olarak, elementel ayrışmanın neden olduğu alt soğuma, ayrılmış bileşiklerin oluşumunu da teşvik edebilir ve etkili heterojen nükleasyon parçacıkları haline gelebilir, böylece metal matris tanelerinin rafine edilmesini teşvik eder.
③ Tane sınırlarını arındırın. Nadir toprak elementleri ile O, S, P, N vb. gibi elementler arasındaki güçlü yakınlık nedeniyle, oksitler, sülfitler, fosfitler ve nitrürler için standart serbest oluşum enerjisi düşüktür. Bu bileşiklerin yüksek bir erime noktası ve düşük yoğunluğu vardır, bunlardan bazıları alaşım sıvısından yukarı doğru yüzdürülerek uzaklaştırılabilirken, diğerleri tane içinde eşit olarak dağılır, tane sınırındaki safsızlıkların ayrışmasını azaltır, böylece tane sınırını arındırır ve mukavemetini artırır.
Nadir toprak metallerinin yüksek aktiviteye ve düşük erime noktasına sahip olmaları nedeniyle, metal matrisli kompozitlere ilave edildiklerinde, ilave işlemi sırasında oksijenle temaslarının özel olarak kontrol edilmesi gerektiği unutulmamalıdır.
Çok sayıda uygulama, nadir toprak oksitlerinin stabilizatör, sinterleme yardımcıları ve doping değiştiricileri olarak farklı metal matris ve seramik matris kompozitlere eklenmesinin malzemelerin mukavemetini ve tokluğunu büyük ölçüde artırabileceğini, sinterleme sıcaklıklarını azaltabileceğini ve böylece üretim maliyetlerini düşürebileceğini kanıtlamıştır. Etkisinin ana mekanizması aşağıdaki gibidir.
① Bir sinterleme katkı maddesi olarak, sinterlemeyi teşvik edebilir ve kompozit malzemelerdeki gözenekliliği azaltabilir. Sinterleme katkı maddelerinin eklenmesi, yüksek sıcaklıklarda sıvı bir faz oluşturmak, kompozit malzemelerin sinterleme sıcaklığını düşürmek, sinterleme işlemi sırasında malzemelerin yüksek sıcaklıkta ayrışmasını engellemek ve sıvı faz sinterlemesi yoluyla yoğun kompozit malzemeler elde etmektir. Nadir toprak oksitlerinin yüksek kararlılığı, zayıf yüksek sıcaklık uçuculuğu ve yüksek erime ve kaynama noktaları nedeniyle, diğer ham maddelerle cam fazları oluşturabilir ve sinterlemeyi teşvik edebilir, bu da onları etkili bir katkı maddesi haline getirir. Aynı zamanda, nadir toprak oksit, seramik matrisle katı çözelti de oluşturabilir, bu da içeride kristal kusurları oluşturabilir, kafesi aktive edebilir ve sinterlemeyi teşvik edebilir.
② Mikro yapıyı iyileştirin ve tane boyutunu iyileştirin. Eklenen nadir toprak oksitlerinin esas olarak matrisin tane sınırlarında bulunması ve büyük hacimleri nedeniyle, nadir toprak oksitleri yapıda yüksek göç direncine sahiptir ve ayrıca diğer iyonların göçünü engeller, böylece tane sınırlarının göç hızını azaltır, tane büyümesini engeller ve yüksek sıcaklıkta sinterleme sırasında tanelerin anormal büyümesini engeller. Yoğun yapıların oluşumuna elverişli olan küçük ve düzgün taneler elde edebilirler; Öte yandan, nadir toprak oksitlerini dopingleyerek tane sınırı cam fazına girerler, cam fazının mukavemetini iyileştirir ve böylece malzemenin mekanik özelliklerini iyileştirme hedefine ulaşırlar.
Polimer matris kompozitlerdeki nadir toprak elementleri, esas olarak polimer matrisin özelliklerini iyileştirerek onları etkiler. Nadir toprak oksitleri, polimerlerin termal ayrışma sıcaklığını artırabilirken, nadir toprak karboksilatları polivinil klorürün termal kararlılığını iyileştirebilir. Polistirenin nadir toprak bileşikleri ile dopinglenmesi, polistirenin kararlılığını iyileştirebilir ve darbe dayanıklılığını ve eğilme dayanıklılığını önemli ölçüde artırabilir.
Gönderi zamanı: 26-Nis-2023