Aplicación deTierras rarasen materiales compuestos
Los elementos de tierras raras poseen una estructura electrónica única de 4f, un gran momento magnético atómico, un fuerte acoplamiento de espín y otras características. Al formar complejos con otros elementos, su número de coordinación puede variar de 6 a 12. Los compuestos de tierras raras presentan diversas estructuras cristalinas. Sus propiedades físicas y químicas especiales hacen que se utilicen ampliamente en la fundición de acero de alta calidad y metales no ferrosos, vidrios especiales y cerámicas de alto rendimiento, materiales de imán permanente, materiales de almacenamiento de hidrógeno, materiales luminiscentes y láser, materiales nucleares y otros campos. Con el continuo desarrollo de los materiales compuestos, su aplicación también se ha extendido al campo de los materiales compuestos, atrayendo un amplio interés por la mejora de las propiedades de interfaz entre materiales heterogéneos.
Las principales formas de aplicación de las tierras raras en la preparación de materiales compuestos incluyen: ① adiciónmetales de tierras rarasa materiales compuestos; ② Añadir en forma deóxidos de tierras raras③ Los polímeros dopados o unidos con tierras raras se utilizan como materiales de matriz en materiales compuestos. De las tres formas mencionadas, las dos primeras se añaden principalmente a compuestos de matriz metálica, mientras que la tercera se aplica principalmente a compuestos de matriz polimérica, y la segunda se añade principalmente a compuestos de matriz cerámica.
Tierras rarasActúa principalmente sobre compuestos de matriz metálica y matriz cerámica en forma de aditivos, estabilizadores y aditivos de sinterización, mejorando enormemente su rendimiento, reduciendo los costos de producción y posibilitando su aplicación industrial.
La adición de tierras raras como aditivos en materiales compuestos contribuye principalmente a mejorar el rendimiento de la interfaz de los materiales compuestos y a promover 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 las tierras raras es relativamente baja (cuanto menor es la electronegatividad de los metales, más activa es la 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, las 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, por lo tanto, mejorando la humectabilidad entre la matriz y la fase de refuerzo. Diversos estudios han demostrado que la adición de La a la matriz de aluminio mejora eficazmente la humectabilidad del Al2O3 y el aluminio líquido, y mejora la microestructura de los materiales compuestos.
② Fomenta el refinamiento de los granos de la matriz metálica. La solubilidad de las tierras raras en el cristal metálico es baja debido a su gran radio atómico, que a su vez es relativamente pequeño en la matriz metálica. La entrada de tierras raras con mayor radio en la red reticular de la matriz provocará una distorsión reticular, lo que aumentará la energía del sistema. Para mantener la energía libre más baja, los átomos de tierras raras solo pueden enriquecerse hacia los límites de grano irregulares, lo que dificulta en cierta medida el libre crecimiento de los granos de la matriz. Al mismo tiempo, las tierras raras enriquecidas también adsorberán otros elementos de aleación, lo que aumentará el gradiente de concentración de estos, provocará un subenfriamiento local de los componentes y potenciará 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 convertirlos en partículas de nucleación heterogénea eficaces, promoviendo así el refinamiento de los granos de la matriz metálica.
③ Purificación de los límites de grano. Debido a la fuerte afinidad entre las 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 punto de fusión alto y una densidad baja, algunos de los cuales pueden eliminarse mediante flotación del líquido de aleación, mientras que otros se distribuyen uniformemente en el grano, lo que reduce la segregación de impurezas en el límite de grano, purificándolo y mejorando su resistencia.
Cabe señalar que, debido a la alta actividad y al 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.
Numerosas prácticas han demostrado que la adición de óxidos de tierras raras como estabilizadores, coadyuvantes de sinterización y modificadores de dopaje a diferentes matrices metálicas y cerámicas compuestas puede mejorar considerablemente la resistencia y la tenacidad de los materiales, reducir su temperatura de sinterización y, por consiguiente, los costos de producción. El principal mecanismo de acción es el siguiente.
① Como aditivo de sinterización, promueve la sinterización y reduce la porosidad en materiales compuestos. La adición de aditivos de sinterización genera una fase líquida a altas temperaturas, reduce la temperatura de sinterización de los materiales compuestos, inhibe la descomposición a alta temperatura de los materiales durante el proceso y permite obtener materiales compuestos densos mediante la sinterización en fase líquida. Gracias a su alta estabilidad, baja volatilidad a alta temperatura y altos puntos de fusión y ebullición, 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 su interior, activar la red y promover la sinterización.
② Mejora la microestructura y refina el tamaño del grano. Debido a que los óxidos de tierras raras añadidos se encuentran principalmente en los límites de grano de la matriz y a su gran volumen, presentan una alta resistencia a la migración en la estructura y, además, dificultan la migración de otros iones. Esto reduce la velocidad de migración de los límites de grano, inhibe el crecimiento del grano y previene el crecimiento anormal de granos durante la sinterización a alta temperatura. Permite obtener granos pequeños y uniformes, lo que favorece la formación de estructuras densas. Por otro lado, al dopar los óxidos de tierras raras, estos entran en la fase vítrea del límite de grano, mejorando su resistencia y, por lo tanto, logrando el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas del material.
Los elementos de tierras raras en los compuestos de matriz polimérica influyen principalmente en su mejora de las propiedades de la matriz. 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 dopado del poliestireno con compuestos de tierras raras puede mejorar su estabilidad y aumentar significativamente su resistencia al impacto y a la flexión.
Hora de publicación: 26 de abril de 2023