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 espín y otras características. Cuando se forman complejos con otros elementos, su número de coordinación puede variar de 6 a 12. Los compuestos de tierras raras tienen una variedad de estructuras cristalinas. 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 cerámicas de alto rendimiento, materiales magnéticos 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 amplia atención para mejorar las propiedades de interfaz entre materiales heterogéneos.
Las principales formas de aplicación de tierras raras en la preparación de materiales compuestos incluyen: ① adiciónmetales de tierras rarasa materiales compuestos; ② Añadir en 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 a compuestos de matriz metálica, mientras que la tercera se aplica principalmente a compuestos de matriz polimérica y los compuestos de matriz cerámica se agregan principalmente en la segunda forma.
tierras rarasActúa principalmente sobre matriz metálica y composite de matriz cerámica en forma de aditivos, estabilizantes y aditivos de sinterización, mejorando enormemente sus prestaciones, reduciendo costes de producción y posibilitando su aplicación industrial.
La adición de elementos de tierras raras como aditivos en materiales compuestos juega un papel principal en la mejora del rendimiento de la interfaz de los materiales compuestos y promueve el refinamiento de los granos de la 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 adsorberán preferentemente en los límites de grano de la matriz metálica y la fase de refuerzo durante el proceso de fundición, reduciendo su energía de interfaz, aumentando el trabajo de adhesión de la interfaz, reduciendo el ángulo de humectación y mejorando así la humectabilidad entre la matriz. y fase de refuerzo. Las investigaciones han demostrado que la adición del elemento La a la matriz de aluminio mejora efectivamente la humectabilidad del AlO y el líquido de aluminio, y mejora la microestructura de los materiales compuestos.
② Promover el refinamiento de los granos de la matriz metálica. La solubilidad de las tierras raras en cristales metálicos es pequeña, porque el radio atómico de los elementos de tierras raras es grande y el radio atómico de la matriz metálica es relativamente pequeño. La entrada de elementos de tierras raras con un radio mayor en la red de la matriz provocará una distorsión de la red, lo que aumentará la energía del sistema. Para mantener la energía libre más baja, los átomos de tierras raras sólo pueden enriquecerse hacia límites de grano irregulares, lo que dificulta en cierta medida el libre crecimiento de los granos de la matriz. Al mismo tiempo, los elementos de tierras raras enriquecidos también adsorberán otros elementos de aleación, aumentando el gradiente de concentración de los elementos de aleación, provocando un subenfriamiento local de los componentes y mejorando el efecto de nucleación heterogénea de la matriz metálica líquida. Además, el subenfriamiento causado por la segregación elemental también puede promover la formación de compuestos segregados y convertirse en partículas de nucleación heterogéneas efectivas, promoviendo así el refinamiento de los granos de la matriz metálica.
③ Purificar los límites de los granos. Debido a la fuerte afinidad entre los elementos de tierras raras y elementos como O, S, P, N, etc., la energía libre estándar de formación de 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 desde el líquido de la aleación, mientras que otros se distribuyen uniformemente dentro del grano, lo que reduce la segregación de impurezas en el límite del grano, purificando así el límite del grano y mejorando su fuerza.
Cabe señalar que, debido a la alta actividad y el bajo punto de fusión de los metales de tierras raras, cuando se agregan a un 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, coadyuvantes de sinterización y modificadores de dopaje a diferentes compuestos de matriz metálica y matriz cerámica puede mejorar en gran medida la resistencia y tenacidad de los materiales, reducir su temperatura de sinterización y, por lo tanto, reducir los costos de producción. El principal mecanismo 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 tiene como objetivo generar una fase líquida a altas temperaturas, reducir la temperatura de sinterización de los materiales compuestos, inhibir la descomposición de los materiales a alta temperatura durante el proceso de sinterización y obtener materiales compuestos densos mediante la sinterización en fase líquida. Debido a la alta estabilidad, la débil volatilidad a alta temperatura y los altos puntos de fusión y ebullición de los óxidos de tierras raras, pueden formar fases vítreas con otras materias primas y promover la sinterización, lo que los convierte en un aditivo eficaz. Al mismo tiempo, el óxido de tierras raras también puede formar una solución sólida con la matriz cerámica, lo que puede generar defectos cristalinos en el interior, activar la red y promover la sinterización.
② Mejorar la microestructura y refinar el tamaño del grano. Debido al hecho de que los óxidos de tierras raras añadidos 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 dificultan la migración de otros iones, reduciendo así la tasa de migración de los límites de los granos, inhibiendo el crecimiento de los granos y obstaculizando el crecimiento anormal de los granos durante la sinterización a alta temperatura. Pueden obtener granos pequeños y uniformes, lo que favorece la formación de estructuras densas; Por otro lado, al dopar los óxidos de tierras raras, estos ingresan a la fase vítrea de límite de grano, mejorando la resistencia de la fase vítrea y logrando así el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas del material.
Los elementos de tierras raras en los compuestos de matriz polimérica los afectan principalmente mejorando las propiedades de la matriz polimérica. 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. Dopar poliestireno con compuestos de tierras raras puede mejorar la estabilidad del poliestireno y aumentar significativamente su resistencia al impacto y a la flexión.
Hora de publicación: 26 de abril de 2023