TaikymasRetųjų žemiųkompozicinėse medžiagose
Retųjų žemių elementai pasižymi unikalia 4f elektronine struktūra, dideliu atominiu magnetiniu momentu, stipria sukinio sąsaja ir kitomis savybėmis. Sudarydami kompleksus su kitais elementais, jų koordinacijos skaičius gali svyruoti nuo 6 iki 12. Retųjų žemių junginiai pasižymi įvairiomis kristalinėmis struktūromis. Dėl ypatingų retųjų žemių fizikinių ir cheminių savybių jie plačiai naudojami aukštos kokybės plieno ir spalvotųjų metalų lydyme, specialiame stikle ir didelio našumo keramikoje, nuolatinių magnetų medžiagose, vandenilio kaupimo medžiagose, liuminescencinėse ir lazerinėse medžiagose, branduolinėse medžiagose ir kitose srityse. Nuolat tobulėjant kompozicinėms medžiagoms, retųjų žemių pritaikymas išsiplėtė ir kompozicinių medžiagų srityje, sulaukdamas didelio dėmesio heterogeninių medžiagų sąsajos savybių gerinimui.
Pagrindinės retųjų žemių panaudojimo formos kompozicinių medžiagų gamyboje yra šios: 1. pridėjimasretųjų žemių metalųį kompozicines medžiagas; ② Pridėti kaipretųjų žemių oksidaiį kompozicinę medžiagą; ③ Polimerai, legiruoti arba sujungti retųjų žemių metalais polimeruose, naudojami kaip matricos medžiagos kompozicinėse medžiagose. Iš minėtų trijų retųjų žemių panaudojimo formų pirmosios dvi formos dažniausiai dedamos į metalo matricos kompozitus, trečioji daugiausia taikoma polimero matricos kompozitams, o keraminės matricos kompozitai daugiausia pridedami antrąja forma.
Retųjų žemiųdaugiausia veikia metalo ir keramikos matricos kompozitus priedų, stabilizatorių ir sukepinimo priedų pavidalu, gerokai pagerindamas jų veikimą, sumažindamas gamybos sąnaudas ir sudarydamas sąlygas jį pritaikyti pramonėje.
Retųjų žemių elementų, kaip priedų, įdėjimas į kompozicines medžiagas daugiausia atlieka svarbų vaidmenį gerinant kompozicinių medžiagų sąsajos charakteristikas ir skatinant metalo matricos grūdelių rafinavimą. Veikimo mechanizmas yra toks.
1. Pagerinti metalo matricos ir armatūros fazės drėkinamumą. Retųjų žemių elementų elektronegatyvumas yra santykinai mažas (kuo mažesnis metalų elektronegatyvumas, tuo aktyvesnis nemetalų elektronegatyvumas). Pavyzdžiui, La yra 1,1, Ce – 1,12, o Y – 1,22. Paprastojo netauriojo metalo Fe elektronegatyvumas yra 1,83, Ni – 1,91, o Al – 1,61. Todėl retųjų žemių elementai lydymo proceso metu pirmiausia adsorbuojasi ant metalo matricos ir armatūros fazės grūdelių ribų, sumažindami jų sąsajos energiją, padidindami sąsajos sukibimo darbą, sumažindami drėkinimo kampą ir taip pagerindami matricos ir armatūros fazės drėkinamumą. Tyrimai parodė, kad La elemento pridėjimas prie aliuminio matricos efektyviai pagerina Al2O3 ir aliuminio skysčio drėkinamumą bei pagerina kompozicinių medžiagų mikrostruktūrą.
② Skatina metalo matricos grūdelių smulkinimą. Retųjų žemių elementų tirpumas metalo kristale yra mažas, nes retųjų žemių elementų atominis spindulys yra didelis, o metalo matricos atominis spindulys yra santykinai mažas. Didesnio spindulio retųjų žemių elementų patekimas į matricos gardelę sukels gardelės iškraipymą, o tai padidins sistemos energiją. Siekiant išlaikyti mažiausią laisvąją energiją, retųjų žemių atomai gali sodrinti tik link netaisyklingų grūdelių ribų, o tai tam tikru mastu trukdo laisvam matricos grūdelių augimui. Tuo pačiu metu praturtinti retųjų žemių elementai taip pat adsorbuoja kitus lydinio elementus, padidindami lydinio elementų koncentracijos gradientą, sukeldami vietinį komponentų peršaldymą ir sustiprindami skystos metalo matricos heterogeninio branduolio susidarymo efektą. Be to, elementų segregacijos sukeltas peršaldymas taip pat gali skatinti segreguotų junginių susidarymą ir tapti efektyviomis heterogeninėmis branduolio dalelėmis, taip skatinant metalo matricos grūdelių smulkinimą.
③ Grūdų ribų valymas. Dėl stipraus retųjų žemių elementų ir tokių elementų kaip O, S, P, N ir kt. afiniteto, oksidų, sulfidų, fosfidų ir nitridų standartinė laisvoji susidarymo energija yra maža. Šie junginiai turi aukštą lydymosi temperatūrą ir mažą tankį, kai kurie iš jų gali būti pašalinti išplaukdami iš lydinio skysčio, o kiti yra tolygiai pasiskirstę grūduose, todėl sumažėja priemaišų atsiskyrimas grūdų riboje, taip išvalant grūdų ribą ir pagerinant jos stiprumą.
Reikėtų pažymėti, kad dėl didelio retųjų žemių metalų aktyvumo ir žemos lydymosi temperatūros, kai jie pridedami prie metalo matricos kompozito, jų sąlytis su deguonimi pridėjimo proceso metu turi būti specialiai kontroliuojamas.
Daugybė praktinių tyrimų įrodė, kad retųjų žemių oksidų, kaip stabilizatorių, sukepinimo priemonių ir legiravimo modifikatorių, pridėjimas prie skirtingų metalų ir keraminių matricų kompozitų gali gerokai padidinti medžiagų stiprumą ir tvirtumą, sumažinti jų sukepinimo temperatūrą ir taip sumažinti gamybos sąnaudas. Pagrindinis šio veikimo mechanizmas yra toks.
① Kaip sukepinimo priedas, jis gali skatinti sukepinimą ir sumažinti kompozicinių medžiagų poringumą. Sukepinimo priedų pridėjimas aukštoje temperatūroje sukuria skystąją fazę, sumažina kompozicinių medžiagų sukepinimo temperatūrą, slopina medžiagų skaidymąsi aukštoje temperatūroje sukepinimo proceso metu ir skystosios fazės sukepinimo būdu gauna tankias kompozicines medžiagas. Dėl didelio retųjų žemių oksidų stabilumo, mažo lakumo aukštoje temperatūroje ir aukštos lydymosi bei virimo temperatūros jie gali sudaryti stiklo fazes su kitomis žaliavomis ir skatinti sukepinimą, todėl jie yra veiksmingas priedas. Tuo pačiu metu retųjų žemių oksidas taip pat gali sudaryti kietą tirpalą su keramine matrica, todėl viduje gali atsirasti kristalų defektų, aktyvuoti gardelę ir skatinti sukepinimą.
2 Pagerinti mikrostruktūrą ir sumažinti grūdelių dydį. Dėl to, kad pridėtiniai retųjų žemių oksidai daugiausia yra matricos grūdelių ribose, ir dėl didelio jų tūrio, retųjų žemių oksidai pasižymi dideliu migracijos atsparumu struktūroje ir taip pat trukdo kitų jonų migracijai, taip sumažindami grūdelių ribų migracijos greitį, slopindami grūdelių augimą ir trukdydami nenormaliam grūdelių augimui aukštoje temperatūroje sukepinant. Jie gali gauti mažus ir vienodus grūdelius, o tai skatina tankių struktūrų susidarymą; kita vertus, legiruojant retųjų žemių oksidus, jie patenka į grūdelių ribų stiklo fazę, pagerindami stiklo fazės stiprumą ir taip pasiekdami tikslą pagerinti medžiagos mechanines savybes.
Retųjų žemių elementai polimerinių matricų kompozituose daugiausia veikia juos gerindami polimerinės matricos savybes. Retųjų žemių oksidai gali padidinti polimerų terminio skilimo temperatūrą, o retųjų žemių karboksilatai – pagerinti polivinilchlorido terminį stabilumą. Polistireno legiravimas retųjų žemių junginiais gali pagerinti polistireno stabilumą ir žymiai padidinti jo smūginį stiprumą bei lenkimo stiprumą.
Įrašo laikas: 2023 m. balandžio 26 d.