Quale influenza hanno gli ossidi di terre rare nei rivestimenti ceramici?

Ceramica, materiali metallici e polimerici sono elencati come i tre principali materiali solidi. La ceramica possiede numerose proprietà eccellenti, come la resistenza alle alte temperature, alla corrosione, all'usura, ecc., poiché la modalità di legame atomico della ceramica è il legame ionico, il legame covalente o il legame misto ionico-covalente con elevata energia di legame. Il rivestimento ceramico può modificare l'aspetto, la struttura e le prestazioni della superficie esterna del substrato, e il composito rivestimento-substrato è preferito per le sue nuove prestazioni. Può combinare organicamente le caratteristiche originali del substrato con le caratteristiche di resistenza alle alte temperature, elevata resistenza all'usura e elevata resistenza alla corrosione dei materiali ceramici, sfruttando appieno i vantaggi complessivi dei due tipi di materiali, ed è quindi ampiamente utilizzato in ambito aerospaziale, aeronautico, della difesa nazionale, dell'industria chimica e in altri settori.

Le terre rare sono definite il "tesoro" dei nuovi materiali, grazie alla loro esclusiva struttura elettronica 4f e alle loro proprietà fisiche e chimiche. Tuttavia, i metalli delle terre rare puri vengono raramente utilizzati direttamente nella ricerca, mentre i composti delle terre rare sono i più utilizzati. I composti più comuni sono CeO₂, La₂O₂, Y₂O₂, LaF₂, CeF, CeS e il ferrosilicio delle terre rare. Questi composti delle terre rare possono migliorare la struttura e le proprietà dei materiali ceramici e dei rivestimenti ceramici.

Applicazione degli ossidi di terre rare nei materiali ceramici

L'aggiunta di terre rare come stabilizzanti e ausili di sinterizzazione a diverse ceramiche può ridurre la temperatura di sinterizzazione, migliorare la resistenza e la tenacità di alcune ceramiche strutturali e quindi ridurre i costi di produzione. Allo stesso tempo, le terre rare svolgono anche un ruolo molto importante nei sensori di gas a semiconduttore, nei supporti a microonde, nelle ceramiche piezoelettriche e in altre ceramiche funzionali. La ricerca ha scoperto che l'aggiunta di due o più ossidi di terre rare alle ceramiche di allumina è migliore rispetto all'aggiunta di un singolo ossido di terre rare. Dopo i test di ottimizzazione, Y₂O₂ + CeO₂ ha ottenuto l'effetto migliore. Aggiungendo lo 0,2% di Y₂O₂ + lo 0,2% di CeO₂ a 1490 °C, la densità relativa dei campioni sinterizzati può raggiungere il 96,2%, superando la densità dei campioni con qualsiasi ossido di terre rare Y₂O₂ o CeO₂ da solo.

L'effetto di La₂O₂+Y₂O₂, Sm₂O₂+La₂O₂ nel promuovere la sinterizzazione è migliore rispetto a quello dell'aggiunta di solo La₂O₂, e la resistenza all'usura risulta chiaramente migliorata. Dimostra inoltre che la miscelazione di due ossidi di terre rare non è una semplice addizione, ma che esiste un'interazione tra loro, che è più vantaggiosa per la sinterizzazione e il miglioramento delle prestazioni delle ceramiche di allumina, ma il principio resta ancora da studiare.

Inoltre, si è scoperto che l'aggiunta di ossidi di metalli misti di terre rare come ausili di sinterizzazione può migliorare la migrazione dei materiali, promuovere la sinterizzazione di ceramiche MgO e migliorarne la densità. Tuttavia, quando il contenuto di ossidi di metalli misti è superiore al 15%, la densità relativa diminuisce e la porosità aperta aumenta.

In secondo luogo, l’influenza degli ossidi di terre rare sulle proprietà dei rivestimenti ceramici

Le ricerche esistenti dimostrano che le terre rare possono affinare la granulometria, aumentarne la densità, migliorarne la microstruttura e purificarne l'interfaccia. Svolgono un ruolo unico nel migliorare la resistenza, la tenacità, la durezza, la resistenza all'usura e alla corrosione dei rivestimenti ceramici, migliorandone in una certa misura le prestazioni e ampliandone il campo di applicazione.

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Miglioramento delle proprietà meccaniche dei rivestimenti ceramici mediante ossidi di terre rare

Gli ossidi di terre rare possono migliorare significativamente la durezza, la resistenza alla flessione e la resistenza alla trazione dei rivestimenti ceramici. I risultati sperimentali mostrano che la resistenza alla trazione del rivestimento può essere efficacemente migliorata utilizzando Lao-2 come additivo in un materiale Al-2O-3 + 3% TiO-2, e la resistenza alla trazione può raggiungere 27,36 MPa quando la quantità di Lao-2 è del 6,0%. Aggiungendo CeO-2 con una frazione in massa del 3,0% e del 6,0% al materiale Cr-2O-3, la resistenza alla trazione del rivestimento è compresa tra 18 e 25 MPa, superiore ai 12-16 MPa originali. Tuttavia, quando il contenuto di CeO-2 è del 9,0%, la resistenza alla trazione diminuisce a 12-15 MPa.

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Miglioramento della resistenza agli shock termici del rivestimento ceramico mediante terre rare

Il test di resistenza agli shock termici è un test importante per valutare qualitativamente la forza di adesione tra rivestimento e substrato e la corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica tra rivestimento e substrato. Riflette direttamente la capacità del rivestimento di resistere al distacco quando la temperatura varia alternativamente durante l'uso, e riflette anche la capacità del rivestimento di resistere alla fatica da shock meccanico e la capacità di adesione laterale al substrato. Pertanto, è anche il fattore chiave per valutare la qualità del rivestimento ceramico.

La ricerca dimostra che l'aggiunta del 3,0% di CeO2 può ridurre la porosità e le dimensioni dei pori nel rivestimento e ridurre la concentrazione di stress ai bordi dei pori, migliorando così la resistenza agli shock termici del rivestimento in Cr2O3. Tuttavia, la porosità del rivestimento ceramico in Al2O3 è diminuita e la resistenza di adesione e la durata del rivestimento in caso di shock termico sono aumentate notevolmente dopo l'aggiunta di LaO2. Quando la quantità di LaO2 aggiunta è del 6% (frazione in massa), la resistenza del rivestimento in caso di shock termico è la migliore e la durata del rivestimento in caso di shock termico può raggiungere 218 volte, mentre la durata del rivestimento in caso di shock termico senza LaO2 è solo 163 volte.

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Gli ossidi di terre rare influenzano la resistenza all'usura dei rivestimenti

Gli ossidi di terre rare utilizzati per migliorare la resistenza all'usura dei rivestimenti ceramici sono principalmente CeO₂ e La₂O₂. La loro struttura a strati esagonali può offrire una buona funzione lubrificante e mantenere proprietà chimiche stabili ad alta temperatura, il che può migliorare efficacemente la resistenza all'usura e ridurre il coefficiente di attrito.

La ricerca dimostra che il coefficiente di attrito del rivestimento con una quantità adeguata di CeO₂ è piccolo e stabile. È stato riportato che l'aggiunta di La₂O₂ al rivestimento in cermet a base di nichel spruzzato al plasma può ovviamente ridurre l'usura da attrito e il coefficiente di attrito del rivestimento, e il coefficiente di attrito è stabile con poche fluttuazioni. La superficie di usura dello strato di rivestimento senza terre rare mostra una forte adesione e frattura fragile e scheggiatura. Tuttavia, il rivestimento contenente terre rare mostra una debole adesione sulla superficie usurata e non vi è alcun segno di scheggiatura fragile su vasta area. La microstruttura del rivestimento drogato con terre rare è più densa e compatta e i pori sono ridotti, il che riduce la forza di attrito media sopportata dalle particelle microscopiche e riduce l'attrito e l'usura. Il drogaggio con terre rare può anche aumentare la distanza tra i piani cristallini dei cermet, portando alla variazione della forza di interazione tra le due facce cristalline e riducendo il coefficiente di attrito.

Riepilogo:

Sebbene gli ossidi di terre rare abbiano ottenuto grandi risultati nell'applicazione di materiali ceramici e rivestimenti, che possono migliorare efficacemente la microstruttura e le proprietà meccaniche dei materiali ceramici e dei rivestimenti, ci sono ancora molte proprietà sconosciute, in particolare nella riduzione dell'attrito e dell'usura. Come far sì che la resistenza e la resistenza all'usura dei materiali cooperino con le loro proprietà lubrificanti è diventata un'importante direzione degna di discussione nel campo della tribologia.

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