Haruldaste muldmetallide kasutamine komposiitmaterjalides

RakendatavHaruldane muldkehakomposiitmaterjalides
Haruldaste muldmetallide elementidel on ainulaadne 4F elektrooniline struktuur, suur aatommagnetiline hetk, tugev spinniühendus ja muud omadused. Muude elementidega komplekside moodustamisel võib nende koordinatsiooninumber varieeruda 6–12. Harvakeelne ühenditel on mitmesuguseid kristallstruktuure. Haruldaste muldmetallide spetsiaalsed füüsikalised ja keemilised omadused muudavad need laialdaselt kasutatavaks kvaliteetsete terase- ja värviliste metallide, spetsiaalse klaasi- ja suure jõudlusega keraamika, püsimagnetmaterjalide, vesiniku ladustamismaterjalide, luminestsentsi ja lasermaterjalide, tuumamaterjalide ja muude põldude sulatamisel. Komposiitmaterjalide pideva arenguga on haruldaste muldmetallide kasutamine laienenud ka komposiitmaterjalide valdkonda, pälvides laialt levinud tähelepanu heterogeensete materjalide vaheliste liidese omaduste parandamisel.

Haruldaste muldmetallide peamised rakendusvormid komposiitmaterjalide valmistamisel hõlmavad järgmist: ① lisamineharuldased metallidkomposiitmaterjalid; ② Lisage kujuharuldased oksiididkomposiitmaterjalile; ③ Polümeerid, mis on polümeerides haruldaste muldmetallidega seotud või ühendatud, kasutatakse komposiitmaterjalides maatriksmaterjalidena. Kolme haruldase muldmetalli kasutamise vormi hulgas lisatakse kaks esimest vormi enamasti metalli maatriksi komposiidile, kolmandat aga kantakse peamiselt polümeermaatriksi komposiitidele ja keraamilise maatriksi komposiit lisatakse peamiselt teisel kujul.

Haruldane muldkehaPeamiselt toimib metallimaatriksi ja keraamilise maatriksi komposiidi korral lisaainete, stabilisaatorite ja paagutamise lisandite kujul, parandades oluliselt nende jõudlust, vähendades tootmiskulusid ja võimaldades selle tööstuslikke rakendusi.

Haruldaste muldmetallide elementide lisamine lisanditena komposiitmaterjalidesse mängib peamiselt komposiitmaterjalide liidese jõudluse parandamisel ja metalli maatriksi terade viimistlemise edendamisel. Toimemehhanism on järgmine.

① Parandage metalli maatriksi ja tugevdusfaasi niisutatavust. Haruldaste muldmetalli elementide elektronegatiivsus on suhteliselt madal (mida väiksem on metallide elektronegatiivsus, seda aktiivsem on mittemetallide elektronegatiivsus). Näiteks LA on 1,1, CE on 1,12 ja y 1,22. Ühise mitteväärimetalli Fe elektronegatiivsus on 1,83, Ni on 1,91 ja Al on 1,61. Seetõttu adsorbeeruvad haruldaste muldmetallide elemendid eelistatavalt metalli maatriksi terade piiridele ja tugevdusfaasi sulamisprotsessi ajal, vähendades nende liidese energiat, suurendades liidese adhesioonitööd, vähendades niisutamisnurka ja parandades sellega maatriksi ja tugevdamise faasi niisutamist. Uuringud on näidanud, et LA elemendi lisamine alumiiniummaatriksile parandab tõhusalt ALO ja alumiiniumvedeliku niisutatavust ning parandab komposiitmaterjalide mikrostruktuuri.

② Soodustage metalli maatriksi terade viimistlemist. Haruldaste muldmetallide lahustuvus metallkristallides on väike, kuna haruldaste muldmetallide aatomiraadius on suur ja metallimaatriksi aatomiraadius on suhteliselt väike. Suurema raadiusega haruldaste muldmetallide sisenemine maatriksi võresse põhjustab võre moonutusi, mis suurendab süsteemi energiat. Madalaima vaba energia säilitamiseks võivad haruldaste muldmetallide aatomid rikastada ainult ebaregulaarsete terade piiride poole, mis mingil määral takistab maatriksi terade vaba kasvu. Samal ajal adsorbeeruvad rikastatud haruldased elemendid ka muid sulamielemente, suurendades sulami elementide kontsentratsiooni gradienti, põhjustades kohaliku komponendi alajahutamist ja suurendades vedela metalli maatriksi heterogeenset tuumaefekti. Lisaks võib elementaarse segregatsiooni põhjustatud alajahutamine soodustada ka eraldatud ühendite moodustumist ja muutuda tõhusateks heterogeenseteks tuumaosakesteks, soodustades sellega metalli maatriksi terade viimistlemist.

③ Puhastage terapiirid. Tugeva afiinsuse tõttu haruldaste muldmetallide elementide ja selliste elementide vahel nagu O, S, P, N jne. Nendel ühenditel on kõrge sulamistemperatuur ja madal tihedus, millest osa saab eemaldada sulami vedelikust ülespoole, samas kui teised jaotuvad teraviljas ühtlaselt, vähendades teraviljapiiril asuvate lisandite eraldamist, puhastades seeläbi viljapiiri ja parandades selle tugevust.

Tuleb märkida, et haruldaste muldmetallide kõrge aktiivsuse ja madala sulamistemperatuuri tõttu tuleb metalli maatriksi komposiidi lisamisel nende kontakti hapnikuga spetsiaalselt kontrollida lisaprotsessi ajal.

Suur hulk tavasid on tõestanud, et haruldaste muldmetallide oksiidide lisamine stabilisaatoritena, paagutatavate AIDSi ja dopingu modifikaatidena erinevatele metallimaatriksile ja keraamilisele maatriksi komposiidile võib oluliselt parandada materjalide tugevust ja sitkust, vähendada paagutustemperatuuri ja vähendada seega tootmiskulusid. Selle toime peamine mehhanism on järgmine.

① Paagutamise lisandina võib see soodustada paagutamist ja vähendada komposiitmaterjalide poorsust. Paagutatavate lisandite lisamine on genereerimine kõrgetel temperatuuridel vedela faasi, vähendada komposiitmaterjalide paagutamise temperatuuri, pärssida materjalide kõrge temperatuuri lagunemist paagutamisprotsessi ajal ja saada tiheda komposiitmaterjalide hankimine vedela faasi paagutamise kaudu. Kõrge stabiilsuse, nõrga kõrgtemperatuuriga volatiilsuse ning haruldaste muldmetallide oksiidide kõrge sulamise ja keemistemperatuuri tõttu võivad nad moodustada klaasist faase koos teiste toorainetega ja soodustada paagutamist, muutes need tõhusa lisandina. Samal ajal võib haruldaste muldraua oksiid moodustada ka keraamilise maatriksiga tahke lahuse, mis võib tekitada kristallidefekte sees, aktiveerida võre ja soodustada paagutamist.

② Parandage mikrostruktuuri ja viimistlege tera suurust. Tänu sellele, et lisatud haruldaste muldmetallide oksiidid eksisteerivad peamiselt maatriksi terade piirides ja nende suure mahu tõttu on haruldaste maapealse oksiidide struktuuris kõrge migratsiooniresistentsus ning takistavad ka teiste ioonide migratsiooni, vähendades sellega teraviljade migratsiooni kiirust, pärssides teravilja kasvu ajal teravilja suurenemist. Nad võivad saada väikeseid ja ühtlasi terasid, mis soodustab tihedate struktuuride moodustumist; Teisest küljest sisenevad nad haruldaste muldmetallide oksiide dopinguga teraviljapiiride faasi, parandades klaasist faasi tugevust ja saavutades sellega eesmärgi parandada materjali mehaanilisi omadusi.

Polümeermaatriksi komposiitide haruldaste muldmetallide elemendid mõjutavad neid peamiselt, parandades polümeermaatriksi omadusi. Haruldaste muldmetallide oksiidid võivad suurendada polümeeride termilist lagunemistemperatuuri, samal ajal kui haruldaste muldmetallide karboksülaadid võivad parandada polüvinüülkloriidi termilist stabiilsust. Doping polüstüreeniga haruldaste muldmetallide ühenditega võib parandada polüstüreeni stabiilsust ning suurendada märkimisväärselt selle mõju tugevust ja paindetugevust.