Applicazione delle terre rare nei materiali compositi

Applicazione diTerra raranei materiali compositi
Gli elementi delle terre rare hanno una struttura elettronica 4f unica, un grande momento magnetico atomico, un forte accoppiamento di spin e altre caratteristiche. Quando si formano complessi con altri elementi, il loro numero di coordinazione può variare da 6 a 12. I composti delle terre rare hanno una varietà di strutture cristalline. Le speciali proprietà fisiche e chimiche delle terre rare le rendono ampiamente utilizzate nella fusione di acciaio di alta qualità e metalli non ferrosi, vetro speciale e ceramica ad alte prestazioni, materiali a magneti permanenti, materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno, materiali luminescenti e laser, materiali nucleari e altri campi. Con il continuo sviluppo dei materiali compositi, l'applicazione delle terre rare si è estesa anche al campo dei materiali compositi, attirando una diffusa attenzione nel miglioramento delle proprietà di interfaccia tra materiali eterogenei.

Le principali forme di applicazione delle terre rare nella preparazione di materiali compositi includono: ① aggiuntametalli delle terre rareai materiali compositi; ② Aggiungi sotto forma diossidi di terre rareal materiale composito; ③ I polimeri drogati o legati con metalli delle terre rare nei polimeri vengono utilizzati come materiali di matrice nei materiali compositi. Tra le tre forme di applicazione delle terre rare sopra menzionate, le prime due forme vengono per lo più aggiunte al composito a matrice metallica, mentre la terza viene applicata principalmente ai compositi a matrice polimerica e il composito a matrice ceramica viene aggiunto principalmente nella seconda forma.

Terra raraagisce principalmente sulla matrice metallica e sul composito a matrice ceramica sotto forma di additivi, stabilizzanti e additivi per sinterizzazione, migliorandone notevolmente le prestazioni, riducendo i costi di produzione e rendendone possibile l'applicazione industriale.

L'aggiunta di elementi delle terre rare come additivi nei materiali compositi svolge principalmente un ruolo nel migliorare le prestazioni dell'interfaccia dei materiali compositi e nel promuovere l'affinamento dei grani della matrice metallica. Il meccanismo d'azione è il seguente.

① Migliorare la bagnabilità tra la matrice metallica e la fase rinforzante. L'elettronegatività degli elementi delle terre rare è relativamente bassa (minore è l'elettronegatività dei metalli, più attiva è l'elettronegatività dei non metalli). Ad esempio, La è 1,1, Ce è 1,12 e Y è 1,22. L'elettronegatività del comune metallo base Fe è 1,83, Ni è 1,91 e Al è 1,61. Pertanto, gli elementi delle terre rare verranno adsorbiti preferenzialmente sui bordi dei grani della matrice metallica e nella fase di rinforzo durante il processo di fusione, riducendo la loro energia di interfaccia, aumentando il lavoro di adesione dell'interfaccia, riducendo l'angolo di bagnatura e migliorando così la bagnabilità tra la matrice e fase di rinforzo. La ricerca ha dimostrato che l'aggiunta dell'elemento La alla matrice di alluminio migliora efficacemente la bagnabilità di AlO e alluminio liquido e migliora la microstruttura dei materiali compositi.

② Promuovere la raffinazione dei grani della matrice metallica. La solubilità delle terre rare nel cristallo metallico è piccola, perché il raggio atomico degli elementi delle terre rare è grande e il raggio atomico della matrice metallica è relativamente piccolo. L'ingresso di elementi delle terre rare con raggio maggiore nel reticolo della matrice causerà una distorsione del reticolo, che aumenterà l'energia del sistema. Per mantenere l'energia libera più bassa, gli atomi di terre rare possono arricchirsi solo verso i confini irregolari dei grani, il che in una certa misura ostacola la libera crescita dei grani della matrice. Allo stesso tempo, gli elementi delle terre rare arricchiti adsorbiranno anche altri elementi di lega, aumentando il gradiente di concentrazione degli elementi di lega, causando un sottoraffreddamento dei componenti locali e migliorando l'effetto di nucleazione eterogenea della matrice metallica liquida. Inoltre, il sottoraffreddamento causato dalla segregazione elementare può anche favorire la formazione di composti segregati e diventare efficaci particelle di nucleazione eterogenee, favorendo così il raffinamento dei grani della matrice metallica.

③ Purificare i confini del grano. A causa della forte affinità tra gli elementi delle terre rare e gli elementi come O, S, P, N, ecc., l'energia libera standard di formazione per ossidi, solfuri, fosfuri e nitruri è bassa. Questi composti hanno un alto punto di fusione e una bassa densità, alcuni dei quali possono essere rimossi galleggiando dal liquido della lega, mentre altri sono distribuiti uniformemente all'interno del grano, riducendo la segregazione delle impurità al bordo del grano, purificando così il bordo del grano e migliorandone la forza.

Va notato che, a causa dell'elevata attività e del basso punto di fusione dei metalli delle terre rare, quando vengono aggiunti al composito a matrice metallica, il loro contatto con l'ossigeno deve essere controllato in modo speciale durante il processo di aggiunta.

Numerose pratiche hanno dimostrato che l’aggiunta di ossidi di terre rare come stabilizzanti, coadiuvanti di sinterizzazione e modificatori del drogaggio a diverse matrici metalliche e compositi a matrice ceramica può migliorare notevolmente la resistenza e la tenacità dei materiali, ridurre la loro temperatura di sinterizzazione e quindi ridurre i costi di produzione. Il meccanismo principale della sua azione è il seguente.

① Come additivo per sinterizzazione, può promuovere la sinterizzazione e ridurre la porosità nei materiali compositi. L'aggiunta di additivi per sinterizzazione serve a generare una fase liquida ad alte temperature, ridurre la temperatura di sinterizzazione dei materiali compositi, inibire la decomposizione ad alta temperatura dei materiali durante il processo di sinterizzazione e ottenere materiali compositi densi attraverso la sinterizzazione in fase liquida. A causa dell'elevata stabilità, della debole volatilità alle alte temperature e degli elevati punti di fusione e di ebollizione degli ossidi delle terre rare, possono formare fasi vetrose con altre materie prime e promuovere la sinterizzazione, rendendoli un additivo efficace. Allo stesso tempo, l'ossido di terre rare può anche formare una soluzione solida con la matrice ceramica, che può generare difetti cristallini all'interno, attivare il reticolo e favorire la sinterizzazione.

② Migliora la microstruttura e affina la dimensione del grano. Dato che gli ossidi di terre rare aggiunti esistono principalmente ai bordi dei grani della matrice e a causa del loro grande volume, gli ossidi di terre rare hanno un'elevata resistenza alla migrazione nella struttura e ostacolano anche la migrazione di altri ioni, riducendo così la tasso di migrazione dei bordi del grano, inibendo la crescita del grano e ostacolando la crescita anormale dei grani durante la sinterizzazione ad alta temperatura. Possono ottenere grani piccoli e uniformi, il che favorisce la formazione di strutture dense; Drogando invece gli ossidi delle terre rare, essi entrano nella fase vetrosa a bordo grano, migliorando la resistenza della fase vetrosa e raggiungendo così l'obiettivo di migliorare le proprietà meccaniche del materiale.

Gli elementi delle terre rare nei compositi a matrice polimerica li influenzano principalmente migliorando le proprietà della matrice polimerica. Gli ossidi delle terre rare possono aumentare la temperatura di decomposizione termica dei polimeri, mentre i carbossilati delle terre rare possono migliorare la stabilità termica del cloruro di polivinile. Il drogaggio del polistirene con composti delle terre rare può migliorare la stabilità del polistirene e aumentarne significativamente la resistenza agli urti e alla flessione.