Applicazione delle terre rare nei materiali compositi

Applicazione diTerre rarenei materiali compositi
Gli elementi delle terre rare presentano una struttura elettronica unica (4f), un elevato 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 presentano 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, vetri speciali e ceramiche ad alte prestazioni, materiali a magneti permanenti, materiali per l'accumulo di 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 Aggiungere sotto forma diossidi di terre rareal materiale composito; 3. I polimeri drogati o legati con metalli delle terre rare nei polimeri sono utilizzati come materiali di matrice nei materiali compositi. Tra le tre forme di applicazione delle terre rare sopra menzionate, le prime due vengono principalmente aggiunte ai compositi a matrice metallica, mentre la terza viene applicata principalmente ai compositi a matrice polimerica, mentre i compositi a matrice ceramica vengono aggiunti principalmente nella seconda forma.

Terre rareagisce principalmente su matrici metalliche e compositi 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 terre rare come additivi nei materiali compositi svolge principalmente un ruolo nel migliorare le prestazioni di interfaccia dei materiali compositi e nel promuovere la raffinazione dei grani della matrice metallica. Il meccanismo d'azione è il seguente.

① Migliora la bagnabilità tra la matrice metallica e la fase di rinforzo. L'elettronegatività degli elementi delle terre rare è relativamente bassa (minore è l'elettronegatività dei metalli, maggiore è l'elettronegatività dei non metalli). Ad esempio, La è 1,1, Ce è 1,12 e Y è 1,22. L'elettronegatività del metallo di base comune Fe è 1,83, Ni è 1,91 e Al è 1,61. Pertanto, gli elementi delle terre rare si adsorbono preferenzialmente sui bordi dei grani della matrice metallica e della fase di rinforzo durante il processo di fusione, riducendo la loro energia interfacciale, aumentando il lavoro di adesione dell'interfaccia, riducendo l'angolo di bagnatura e migliorando così la bagnabilità tra la matrice e la fase di rinforzo. La ricerca ha dimostrato che l'aggiunta di elemento La alla matrice di alluminio migliora efficacemente la bagnabilità di Al2O3 e del liquido di alluminio e migliora la microstruttura dei materiali compositi.

2. Promuovere la raffinazione dei grani della matrice metallica. La solubilità delle terre rare nei cristalli metallici è ridotta, poiché il raggio atomico degli elementi delle terre rare è elevato 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 reticolare, che aumenterà l'energia del sistema. Per mantenere la più bassa energia libera, gli atomi delle terre rare possono arricchirsi solo in prossimità di bordi di grano irregolari, il che in una certa misura ostacola la crescita libera 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 locale dei componenti e potenziando l'effetto di nucleazione eterogenea della matrice metallica liquida. Inoltre, il sottoraffreddamento causato dalla segregazione elementare può anche promuovere la formazione di composti segregati e trasformarsi in efficaci particelle di nucleazione eterogenea, favorendo così la raffinazione dei grani della matrice metallica.

3. Purificare i bordi di grano. A causa della forte affinità tra gli elementi delle terre rare e 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 per galleggiamento dal liquido della lega, mentre altri sono distribuiti uniformemente all'interno del grano, riducendo la segregazione delle impurità al bordo di grano, purificando così il bordo di grano e migliorandone la resistenza.

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

Numerose sperimentazioni hanno dimostrato che l'aggiunta di ossidi di terre rare come stabilizzanti, coadiuvanti di sinterizzazione e modificatori di drogaggio a diversi compositi a matrice metallica e ceramica può migliorare significativamente la resistenza e la tenacità dei materiali, ridurre la temperatura di sinterizzazione e quindi ridurre i costi di produzione. Il meccanismo principale della sua azione è il seguente.

① Come additivo per la sinterizzazione, può promuovere la sinterizzazione e ridurre la porosità nei materiali compositi. L'aggiunta di additivi per la 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. Grazie all'elevata stabilità, alla scarsa volatilità ad alta temperatura e agli elevati punti di fusione e di ebollizione degli ossidi di terre rare, questi 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 al suo interno, attivare il reticolo e promuovere la sinterizzazione.

② Miglioramento della microstruttura e affinamento delle dimensioni dei grani. Poiché gli ossidi di terre rare aggiunti si trovano principalmente ai bordi dei grani della matrice e, a causa del loro elevato volume, presentano un'elevata resistenza alla migrazione nella struttura e ostacolano la migrazione di altri ioni, riducendo così la velocità di migrazione dei bordi dei grani, inibendo la crescita dei grani e ostacolando la crescita anomala dei grani durante la sinterizzazione ad alta temperatura. Consentono di ottenere grani piccoli e uniformi, favorendo la formazione di strutture dense; d'altra parte, drogando gli ossidi di terre rare, questi penetrano nella fase vetrosa ai bordi dei grani, migliorandone la resistenza e raggiungendo così l'obiettivo di migliorare le proprietà meccaniche del materiale.

Gli elementi delle terre rare nei compositi a matrice polimerica influenzano principalmente 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 migliorarne la stabilità e aumentarne significativamente la resistenza all'impatto e alla flessione.