¿Cuál es la influencia de los óxidos de tierras raras en los recubrimientos cerámicos?

La cerámica, los materiales metálicos y los polímeros se clasifican como los tres materiales sólidos principales. La cerámica posee excelentes propiedades, como resistencia a altas temperaturas, a la corrosión y al desgaste, entre otras, gracias a su enlace atómico iónico, covalente o mixto ion-covalente con alta energía de enlace. El recubrimiento cerámico puede modificar la apariencia, la estructura y el rendimiento de la superficie exterior del sustrato, y el compuesto de recubrimiento-sustrato se destaca por su nuevo rendimiento. Combina orgánicamente las características originales del sustrato con la resistencia a altas temperaturas, al desgaste y a la corrosión de los materiales cerámicos, aprovechando al máximo las ventajas de ambos materiales. Por ello, se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, la aviación, la defensa nacional, la industria química y otras industrias.

Las tierras raras se consideran el "tesoro" de los nuevos materiales debido a su singular estructura electrónica 4f y sus propiedades físicas y químicas. Sin embargo, los metales de tierras raras puros rara vez se utilizan directamente en la investigación, y se emplean mayormente compuestos de tierras raras. Los compuestos más comunes son CeO₂, La₂O₃, Y₂O₃, LaF₃, CeF₂, CeS₃ y el ferrosilicio de tierras raras. Estos compuestos de tierras raras pueden mejorar la estructura y las propiedades de los materiales y recubrimientos cerámicos.

I Aplicación de óxidos de tierras raras en materiales cerámicos

La adición de tierras raras como estabilizadores y auxiliares de sinterización a diferentes cerámicas puede reducir la temperatura de sinterización, mejorar la resistencia y la tenacidad de algunas cerámicas estructurales y, por lo tanto, reducir el costo de producción. Al mismo tiempo, las tierras raras también desempeñan un papel muy importante en sensores de gas semiconductores, medios de microondas, cerámicas piezoeléctricas y otras cerámicas funcionales. La investigación encontró que la adición de dos o más óxidos de tierras raras a la cerámica de alúmina juntos es mejor que la adición de un solo óxido de tierras raras a la cerámica de alúmina. Después de la prueba de optimización, Y₂O₃ + CeO₂ tiene el mejor efecto. Cuando se agrega 0,2 % de Y₂O₃ + 0,2 % de CeO₂ a 1490 ℃, la densidad relativa de las muestras sinterizadas puede alcanzar el 96,2 %, lo que supera la densidad de las muestras con cualquier óxido de tierras raras Y₂O₃ o CeO₂ solo.

El efecto de La₂O₃+Y₂O₃ y Sm₂O₃+La₂O₃ para promover la sinterización es mejor que el de la adición de solo La₂O₃, y la resistencia al desgaste mejora notablemente. Esto también demuestra que la mezcla de dos óxidos de tierras raras no es una simple adición, sino que existe una interacción entre ellos, lo cual es más beneficioso para la sinterización y la mejora del rendimiento de la cerámica de alúmina. Sin embargo, el principio aún está por estudiar.

Además, se ha descubierto que la adición de óxidos metálicos de tierras raras mixtos como coadyuvantes de sinterización puede mejorar la migración de materiales, promover la sinterización de cerámicas de MgO y mejorar la densidad. Sin embargo, cuando el contenido de óxido metálico mixto supera el 15 %, la densidad relativa disminuye y la porosidad abierta aumenta.

En segundo lugar, la influencia de los óxidos de tierras raras en las propiedades de los recubrimientos cerámicos.

Las investigaciones existentes demuestran que las tierras raras pueden refinar el tamaño del grano, aumentar la densidad, mejorar la microestructura y purificar la interfaz. Desempeñan un papel fundamental en la mejora de la resistencia, la tenacidad, la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión de los recubrimientos cerámicos, lo que mejora en cierta medida su rendimiento y amplía su gama de aplicaciones.

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Mejora de las propiedades mecánicas de recubrimientos cerámicos mediante óxidos de tierras raras

Los óxidos de tierras raras pueden mejorar significativamente la dureza, la resistencia a la flexión y la resistencia a la tracción de los recubrimientos cerámicos. Los resultados experimentales muestran que la resistencia a la tracción del recubrimiento se puede mejorar eficazmente mediante el uso de Lao_2 como aditivo en material de Al₂O₃+3% TiO₂, y la resistencia a la tracción puede alcanzar los 27,36 MPa con una cantidad de Lao_2 del 6,0 %. Al añadir CeO₂ con fracciones másicas del 3,0 % y el 6,0 % al material de Cr₂O₃, la resistencia a la tracción del recubrimiento se encuentra entre 18 y 25 MPa, superior a los 12 y 16 MPa originales. Sin embargo, con un contenido de CeO₂ del 9,0 %, la resistencia a la tracción disminuye a 12 y 15 MPa.

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Mejora de la resistencia al choque térmico del recubrimiento cerámico mediante tierras raras

La prueba de resistencia al choque térmico es una prueba importante que refleja cualitativamente la resistencia de adhesión entre el recubrimiento y el sustrato, así como la correspondencia entre el coeficiente de expansión térmica y el recubrimiento. Refleja directamente la capacidad del recubrimiento para resistir el desprendimiento cuando la temperatura cambia alternativamente durante el uso, así como su resistencia a la fatiga por choque mecánico y su capacidad de adhesión lateral al sustrato. Por lo tanto, también es un factor clave para evaluar la calidad del recubrimiento cerámico.

La investigación muestra que la adición de un 3,0 % de CeO₂ puede reducir la porosidad y el tamaño de poro del recubrimiento, así como la concentración de tensiones en el borde de los poros, mejorando así la resistencia al choque térmico del recubrimiento de Cr₂O₃. Sin embargo, la porosidad del recubrimiento cerámico de Al₂O₃ disminuyó, y la resistencia de adhesión y la resistencia al choque térmico del recubrimiento aumentaron significativamente tras la adición de LaO₂. Con una cantidad de LaO₂ añadida al 6 % (fracción másica), la resistencia al choque térmico del recubrimiento es óptima, alcanzando una resistencia al choque térmico de 218 veces, mientras que la del recubrimiento sin LaO₂ es de tan solo 163 veces.

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Los óxidos de tierras raras afectan la resistencia al desgaste de los recubrimientos.

Los óxidos de tierras raras utilizados para mejorar la resistencia al desgaste de los recubrimientos cerámicos son principalmente CeO₂ y La₂O₃. Su estructura de capas hexagonales presenta una buena lubricación y mantiene propiedades químicas estables a altas temperaturas, lo que mejora eficazmente la resistencia al desgaste y reduce el coeficiente de fricción.

La investigación muestra que el coeficiente de fricción del recubrimiento con la cantidad adecuada de CeO₂ es pequeño y estable. Se ha informado que la adición de La₂O₃ al recubrimiento de cermet a base de níquel rociado con plasma puede reducir significativamente el desgaste por fricción y el coeficiente de fricción del recubrimiento, y el coeficiente de fricción es estable con poca fluctuación. La superficie de desgaste de la capa de revestimiento sin tierras raras muestra una adhesión severa y fractura frágil y desconchado. Sin embargo, el recubrimiento que contiene tierras raras muestra una adhesión débil en la superficie desgastada y no hay signos de desconchado frágil de gran área. La microestructura del recubrimiento dopado con tierras raras es más densa y compacta, y los poros se reducen, lo que reduce la fuerza de fricción promedio soportada por partículas microscópicas y reduce la fricción y el desgaste. El dopado con tierras raras también puede aumentar la distancia del plano cristalino de los cermets, lo que conduce al cambio de la fuerza de interacción entre las dos caras del cristal y reduce el coeficiente de fricción.

Resumen:

Aunque los óxidos de tierras raras han logrado grandes avances en la aplicación de materiales y recubrimientos cerámicos, que pueden mejorar eficazmente la microestructura y las propiedades mecánicas de los materiales y recubrimientos cerámicos, aún existen muchas propiedades desconocidas, especialmente en la reducción de la fricción y el desgaste. Cómo hacer que la resistencia y la resistencia al desgaste de los materiales cooperen con sus propiedades lubricantes se ha convertido en una dirección importante digna de discusión en el campo de la tribología.

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