Aplicación de tierras raras en materiales compuestos

Aplicación deTierra raraEn materiales compuestos
Los elementos de tierras raras tienen una estructura electrónica 4F única, un gran momento magnético atómico, un fuerte acoplamiento de giro y otras características. Al formar complejos con otros elementos, su número de coordinación puede variar de 6 a 12. Los compuestos de tierras raras tienen una variedad de estructuras de cristal. Las propiedades físicas y químicas especiales de las tierras raras las hacen ampliamente utilizadas en la fundición de acero de alta calidad y metales no ferrosos, vidrio especial y cerámica de alto rendimiento, materiales de imán permanentes, materiales de almacenamiento de hidrógeno, materiales luminiscentes y láser, materiales nucleares y otros campos. Con el desarrollo continuo de materiales compuestos, la aplicación de tierras raras también se ha expandido al campo de los materiales compuestos, atrayendo una atención generalizada para mejorar las propiedades de la interfaz entre los materiales heterogéneos.

Las principales formas de aplicación de tierras raras en la preparación de materiales compuestos incluyen: ① Agregarmetales de tierras rarasa materiales compuestos; ② Agregue la forma deóxidos de tierras rarasal material compuesto; ③ Los polímeros dopados o unidos con metales de tierras raras en polímeros se utilizan como materiales de matriz en materiales compuestos. Entre las tres formas anteriores de aplicación de tierras raras, las dos primeras formas se agregan principalmente al compuesto de matriz metálica, mientras que la tercera se aplica principalmente a los compuestos de matriz de polímeros, y el compuesto de matriz de cerámica se agrega principalmente en la segunda forma.

Tierra raraActúa principalmente sobre la matriz de metal y el compuesto de matriz de cerámica en forma de aditivos, estabilizadores y aditivos sinterizantes, mejorando en gran medida su rendimiento, reduciendo los costos de producción y haciendo posible su aplicación industrial.

La adición de elementos de tierras raras como aditivos en materiales compuestos juega principalmente un papel en la mejora del rendimiento de la interfaz de los materiales compuestos y la promoción del refinamiento de los granos de matriz metálica. El mecanismo de acción es el siguiente.

① Mejorar la humectabilidad entre la matriz metálica y la fase de refuerzo. La electronegatividad de los elementos de tierras raras es relativamente baja (cuanto menor es la electronegatividad de los metales, más activa es la electronegatividad de los no metales). Por ejemplo, LA es 1.1, CE es 1.12 e Y es 1.22. La electronegatividad del metal base común FE es 1.83, Ni es 1.91 y Al es 1.61. Por lo tanto, los elementos de tierras raras se adsorlarán preferentemente en los límites de grano de la matriz de metal y la fase de refuerzo durante el proceso de fundición, reduciendo la energía de su interfaz, aumentando el trabajo de adhesión de la interfaz, reduciendo el ángulo de humectación y, por lo tanto, mejorando la humedibilidad entre la matriz y la fase de refuerzo. La investigación ha demostrado que la adición del elemento LA a la matriz de aluminio mejora efectivamente la humectabilidad de ALO y líquido de aluminio, y mejora la microestructura de materiales compuestos.

② Promover el refinamiento de los granos de matriz metálica. La solubilidad de la tierra rara en el cristal de metal es pequeño, porque el radio atómico de los elementos de tierras raras es grande, y el radio atómico de la matriz de metal es relativamente pequeño. La entrada de elementos de tierras raras con radio más grande en la red matriz causará distorsión de la red, lo que aumentará la energía del sistema. Para mantener la energía libre más baja, los átomos de tierras raras solo pueden enriquecer los límites de grano irregular, lo que en cierta medida obstaculiza el libre crecimiento de los granos matriciales. Al mismo tiempo, los elementos de tierras raras enriquecidas también adsorben otros elementos de aleación, aumentando el gradiente de concentración de los elementos de aleación, causando la subconjuntos de componentes locales y mejorando el efecto de nucleación heterogénea de la matriz de metal líquido. Además, el subenfriamiento causado por la segregación elemental también puede promover la formación de compuestos segregados y convertirse en partículas de nucleación heterogénea efectiva, promoviendo así el refinamiento de los granos de la matriz metálica.

③ Purificar los límites de grano. Debido a la fuerte afinidad entre los elementos y elementos de tierras raras como O, S, P, N, etc., la energía libre de formación estándar para óxidos, sulfuros, fosfuros y nitruros es baja. Estos compuestos tienen un alto punto de fusión y baja densidad, algunos de los cuales pueden eliminarse flotando del líquido de aleación, mientras que otros se distribuyen uniformemente dentro del grano, reduciendo la segregación de las impurezas en el límite de grano, purificando así el límite del grano y mejorando su resistencia.

Cabe señalar que, debido a la alta actividad y el bajo punto de fusión de los metales de tierras raras, cuando se agregan al compuesto de matriz metálica, su contacto con el oxígeno debe controlarse especialmente durante el proceso de adición.

Una gran cantidad de prácticas han demostrado que agregar óxidos de tierras raras como estabilizadores, ayudas de sinterización y modificadores de dopaje a diferentes matriz de metal y compuesto de matriz de cerámica puede mejorar en gran medida la resistencia y la dureza de los materiales, reducir su temperatura de sinterización y, por lo tanto, reducir los costos de producción. El mecanismo principal de su acción es el siguiente.

① Como aditivo de sinterización, puede promover la sinterización y reducir la porosidad en materiales compuestos. La adición de aditivos de sinterización es generar una fase líquida a altas temperaturas, reducir la temperatura de sinterización de los materiales compuestos, inhibir la descomposición de los materiales de alta temperatura durante el proceso de sinterización y obtener materiales compuestos densos a través de la sinterización de la fase líquida. Debido a la alta estabilidad, la débil volatilidad de alta temperatura y altos puntos de fusión y ebullición de óxidos de tierras raras, pueden formar fases de vidrio con otras materias primas y promover la sinterización, lo que los convierte en un aditivo efectivo. Al mismo tiempo, el óxido de tierra rara también puede formar una solución sólida con la matriz de cerámica, que puede generar defectos de cristal en el interior, activar la red y promover la sinterización.

② Mejore la microestructura y refine el tamaño del grano. Debido al hecho de que los óxidos de tierras raras adicionales existen principalmente en los límites de grano de la matriz, y debido a su gran volumen, los óxidos de tierras raras tienen una alta resistencia a la migración en la estructura, y también obstaculizan la migración de otros iones, reduciendo así la tasa de migración de los límites de grano, inhibiendo el crecimiento del grano e forzando el crecimiento anormal de las culturas durante la altura de la altura. Pueden obtener granos pequeños y uniformes, que conducen a la formación de estructuras densas; Por otro lado, dopando óxidos de tierras raras, ingresan a la fase de vidrio límite de grano, mejorando la resistencia de la fase de vidrio y logrando así el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas del material.

Los elementos de tierras raras en los compuestos de la matriz de polímeros los afectan principalmente al mejorar las propiedades de la matriz de polímero. Los óxidos de tierras raras pueden aumentar la temperatura de descomposición térmica de los polímeros, mientras que los carboxilatos de tierras raras pueden mejorar la estabilidad térmica del cloruro de polivinilo. El poliestireno dopante con compuestos de tierras raras puede mejorar la estabilidad del poliestireno y aumentar significativamente su resistencia al impacto y la resistencia a la flexión.