KohaldamineHaruldased muldmetallidkomposiitmaterjalides
Haruldastel muldmetallidel on ainulaadne 4f elektronstruktuur, suur aatomi magnetmoment, tugev spinnsidestus ja muud omadused. Teiste elementidega komplekside moodustamisel võib nende koordinatsiooniarv varieeruda 6-st 12-ni. Haruldaste muldmetallide ühenditel on mitmekesine kristallstruktuur. Haruldaste muldmetallide erilised füüsikalised ja keemilised omadused muudavad need laialdaselt kasutatavaks kvaliteetse terase ja värviliste metallide, spetsiaalse klaasi ja kõrgjõudlusega keraamika, püsimagnetmaterjalide, vesiniku salvestamise materjalide, luminestsents- ja lasermaterjalide, tuumamaterjalide ja muude valdkondade sulatamisel. Komposiitmaterjalide pideva arenguga on haruldaste muldmetallide kasutamine laienenud ka komposiitmaterjalide valdkonda, pälvides laialdast tähelepanu heterogeensete materjalide vahelise piirpindade omaduste parandamisele.
Haruldaste muldmetallide peamised kasutusviisid komposiitmaterjalide valmistamisel on järgmised: 1. lisamineharuldased muldmetallidkomposiitmaterjalidele; ② Lisa kujulharuldaste muldmetallide oksiididkomposiitmaterjalile; ③ Haruldaste muldmetallidega legeeritud või liimitud polümeere kasutatakse komposiitmaterjalides maatriksmaterjalidena. Ülaltoodud kolmest haruldaste muldmetallide rakendusvormist lisatakse kahte esimest vormi enamasti metallmaatrikskomposiitidele, kolmandat aga peamiselt polümeermaatrikskomposiitidele ja keraamilist maatrikskomposiiti lisatakse peamiselt teises vormis.
Haruldased muldmetallidtoimib peamiselt metallmaatriksi ja keraamilise maatriksi komposiitmaterjalidele lisandite, stabilisaatorite ja paagutuslisandite kujul, parandades oluliselt nende jõudlust, vähendades tootmiskulusid ja võimaldades tööstuslikku kasutamist.
Haruldaste muldmetallide lisamine komposiitmaterjalidele lisandina mängib peamist rolli komposiitmaterjalide piirpindade toimivuse parandamisel ja metallmaatriksi terade peenendamisel. Toimemehhanism on järgmine.
1. Parandada metallimaatriksi ja tugevdusfaasi vahelist märguvust. Haruldaste muldmetallide 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 on 1,22. Hariliku mitteväärismetalli Fe elektronegatiivsus on 1,83, Ni on 1,91 ja Al on 1,61. Seetõttu adsorbeeruvad haruldased muldmetallid sulatamisprotsessi ajal eelistatavalt metallimaatriksi ja tugevdusfaasi terade piiridele, vähendades nende liidese energiat, suurendades liidese adhesioonitööd, vähendades märgumisnurka ja parandades seeläbi maatriksi ja tugevdusfaasi vahelist märguvust. Uuringud on näidanud, et La elemendi lisamine alumiiniummaatriksile parandab tõhusalt Al2O3 ja alumiiniumvedeliku märguvust ning parandab komposiitmaterjalide mikrostruktuuri.
② Edendab metallmaatriksi terade peenenemist. Haruldaste muldmetallide lahustuvus metallikristallis on väike, kuna haruldaste muldmetallide aatomiraadius on suur ja metallmaatriksi aatomiraadius on suhteliselt väike. Suurema raadiusega haruldaste muldmetallide sisenemine maatriksivõresse põhjustab võre moonutusi, mis suurendab süsteemi energiat. Madalaima vabaenergia säilitamiseks saavad haruldaste muldmetallide aatomid rikastuda ainult ebakorrapäraste terapiiride suunas, mis teatud määral takistab maatriksi terade vaba kasvu. Samal ajal adsorbeerivad rikastatud haruldased muldmetallid ka teisi sulami elemente, suurendades sulami elementide kontsentratsioonigradienti, põhjustades komponentide lokaalset alajahtumist ja suurendades vedela metallmaatriksi heterogeenset tuumastumisefekti. Lisaks võib elementide segregatsioonist tingitud alajahtumine soodustada ka segregeerunud ühendite moodustumist ja muutuda efektiivseteks heterogeenseteks tuumastumise osakesteks, soodustades seeläbi metallmaatriksi terade peenenemist.
③ Puhastage terade piire. Haruldaste muldmetallide ja selliste elementide nagu O, S, P, N jne vahelise tugeva afiinsuse tõttu on oksiidide, sulfiidide, fosfiidide ja nitriidide standardne vabaenergia madal. Nendel ühenditel on kõrge sulamistemperatuur ja madal tihedus ning osa neist saab sulami vedelikust ülespoole hõljudes eemaldada, teised aga jaotuvad terades ühtlaselt, vähendades lisandite eraldumist terade piiril, puhastades seeläbi terade piiri ja parandades selle tugevust.
Tuleb märkida, et haruldaste muldmetallide kõrge aktiivsuse ja madala sulamistemperatuuri tõttu tuleb metallmaatrikskomposiidile lisamisel nende kokkupuudet hapnikuga lisamisprotsessi ajal spetsiaalselt kontrollida.
Suur hulk praktikaid on tõestanud, et haruldaste muldmetallide oksiidide lisamine stabilisaatorite, paagutamise abiainete ja legeerimismodifikaatoritena erinevatele metallmaatriksitele ja keraamilistele maatriksikomposiitidele võib oluliselt parandada materjalide tugevust ja sitkust, vähendada nende paagutamistemperatuuri ja seega vähendada tootmiskulusid. Selle peamine toimemehhanism on järgmine.
① Paagutuslisandina võib see soodustada paakumist ja vähendada komposiitmaterjalide poorsust. Paagutuslisandite lisamine tekitab kõrgel temperatuuril vedela faasi, vähendab komposiitmaterjalide paakumistemperatuuri, pärsib materjalide lagunemist kõrgel temperatuuril paagutamise ajal ja annab vedelfaasi paagutamise teel tiheda komposiitmaterjali. Haruldaste muldmetallide oksiidide kõrge stabiilsuse, nõrga kõrgel temperatuuril lenduvuse ning kõrge sulamis- ja keemistemperatuuri tõttu saavad nad teiste toorainetega moodustada klaasfaase ja soodustada paakumist, muutes need tõhusaks lisandiks. Samal ajal võib haruldaste muldmetallide oksiid moodustada ka tahke lahuse keraamilise maatriksiga, mis võib tekitada sees kristallidefekte, aktiveerida võre ja soodustada paakumist.
2. Parandada mikrostruktuuri ja täpsustada tera suurust. Kuna lisatud haruldaste muldmetallide oksiidid asuvad peamiselt maatriksi terade piiridel ja nende suure mahu tõttu on haruldaste muldmetallide oksiididel struktuuris kõrge migratsioonikindlus ning need takistavad ka teiste ioonide migratsiooni, vähendades seeläbi terade piiride migratsioonikiirust, pärssides terade kasvu ja takistades terade ebanormaalset kasvu kõrgel temperatuuril paagutamise ajal. Need võivad saada väikesed ja ühtlased terad, mis soodustab tihedate struktuuride moodustumist; Teisest küljest sisenevad haruldaste muldmetallide oksiidid legeerimise teel terade piiri klaasfaasi, parandades klaasfaasi tugevust ja saavutades seega eesmärgi parandada materjali mehaanilisi omadusi.
Polümeermaatrikskomposiitides sisalduvad haruldased muldmetallid mõjutavad neid peamiselt polümeermaatriksi omaduste parandamise kaudu. Haruldaste muldmetallide oksiidid võivad suurendada polümeeride termilise lagunemise temperatuuri, samas kui haruldaste muldmetallide karboksülaadid võivad parandada polüvinüülkloriidi termilist stabiilsust. Polüstüreeni legeerimine haruldaste muldmetallide ühenditega võib parandada polüstüreeni stabiilsust ning suurendada oluliselt selle löögitugevust ja paindetugevust.
Postituse aeg: 26. aprill 2023