Kokia retųjų žemių oksidų įtaka keraminėms dangoms?

Keramika, metalinės medžiagos ir polimerinės medžiagos yra išvardytos kaip trys pagrindinės kietosios medžiagos. Keramika pasižymi daugybe puikių savybių, tokių kaip atsparumas aukštai temperatūrai, atsparumas korozijai, atsparumas dilimui ir kt., nes keramikos atominis jungties būdas yra joninis ryšys, kovalentinis ryšys arba mišrus jonų-kovalentinis ryšys su didele jungties energija. Keraminė danga gali pakeisti pagrindo išorinio paviršiaus išvaizdą, struktūrą ir eksploatacines savybes. Dangos ir pagrindo kompozitas yra populiarus dėl savo naujų eksploatacinių savybių. Jis gali organiškai sujungti originalias pagrindo savybes su keraminių medžiagų atsparumu aukštai temperatūrai, dideliu atsparumu dilimui ir dideliu atsparumu korozijai, taip pat visapusiškai išnaudoti abiejų rūšių medžiagų privalumus, todėl jis plačiai naudojamas aviacijos ir kosmoso, nacionalinės gynybos, chemijos pramonėje ir kitose pramonės šakose.

Retieji žemių metalai dėl unikalios 4f elektroninės struktūros ir fizikinių bei cheminių savybių vadinami naujų medžiagų „lobynu“. Tačiau gryni retųjų žemių metalai retai naudojami tiesiogiai tyrimuose, dažniausiai naudojami retųjų žemių junginiai. Dažniausiai pasitaikantys junginiai yra CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF2, CeS2 ir retųjų žemių ferosilicis. Šie retųjų žemių junginiai gali pagerinti keraminių medžiagų ir keraminių dangų struktūrą bei savybes.

Retųjų žemių oksidų panaudojimas keraminėse medžiagose

Pridėjus retųjų žemių elementų kaip stabilizatorių ir sukepinimo priemonių prie skirtingų keramikų, galima sumažinti sukepinimo temperatūrą, pagerinti kai kurių konstrukcinių keramikų stiprumą ir tvirtumą, taigi ir sumažinti gamybos sąnaudas. Tuo pačiu metu retųjų žemių elementai taip pat atlieka labai svarbų vaidmenį puslaidininkinių dujų jutikliuose, mikrobangų terpėse, pjezoelektrinėje keramikoje ir kitoje funkcinėje keramikoje. Tyrimai parodė, kad dviejų ar daugiau retųjų žemių oksidų pridėjimas prie aliuminio oksido keramikos kartu yra geresnis nei vieno retųjų žemių oksido pridėjimas prie aliuminio oksido keramikos. Po optimizavimo bandymo, geriausią efektą duoda Y2O3 + CeO2. Kai 1490 ℃ temperatūroje pridedama 0,2 % Y2O3 + 0,2 % CeO2, sukepintų mėginių santykinis tankis gali siekti 96,2 %, o tai viršija mėginių, pagamintų tik su retųjų žemių oksidu Y2O3 arba CeO2, tankį.

La2O3 + Y2O3, Sm2O3 + La2O3 poveikis skatinant sukepinimą yra geresnis nei pridedant tik La2O3, o atsparumas dilimui akivaizdžiai pagerėja. Tai taip pat rodo, kad dviejų retųjų žemių oksidų sumaišymas nėra paprastas sudėjimas, bet tarp jų vyksta sąveika, kuri yra naudingesnė sukepinimui ir aliuminio oksido keramikos eksploatacinių savybių gerinimui, tačiau principas dar nėra ištirtas.

Be to, nustatyta, kad mišrių retųjų žemių metalų oksidų pridėjimas kaip sukepinimo pagalbinės medžiagos gali pagerinti medžiagų migraciją, skatinti MgO keramikos sukepinimą ir padidinti tankį. Tačiau kai mišrių metalų oksidų kiekis viršija 15 %, santykinis tankis sumažėja, o atviras poringumas padidėja.

Antra, retųjų žemių oksidų įtaka keraminių dangų savybėms

Esami tyrimai rodo, kad retųjų žemių elementai gali sumažinti grūdelių dydį, padidinti tankį, pagerinti mikrostruktūrą ir išvalyti sąsają. Jie atlieka unikalų vaidmenį gerinant keraminių dangų stiprumą, tvirtumą, kietumą, atsparumą dilimui ir korozijai, o tai tam tikru mastu pagerina keraminių dangų eksploatacines savybes ir išplečia keraminių dangų taikymo sritį.

1

Keraminių dangų mechaninių savybių gerinimas retųjų žemių oksidais

Retųjų žemių oksidai gali žymiai pagerinti keraminių dangų kietumą, lenkimo stiprumą ir tempimo stiprumą. Eksperimentiniai rezultatai rodo, kad dangos tempimo stiprumą galima efektyviai padidinti naudojant Lao_2 kaip priedą Al2O3 + 3 % TiO_2 medžiagoje, o tempimo stiprumas gali siekti 27,36 MPa, kai Lao_2 kiekis yra 6,0 %. Į Cr2O3 medžiagą pridėjus CeO2, kurio masės dalis yra 3,0 %–6,0 %, dangos tempimo stiprumas yra nuo 18 iki 25 MPa, tai yra daugiau nei pradinis 12–16 MPa. Tačiau, kai CeO2 kiekis yra 9,0 %, tempimo stiprumas sumažėja iki 12–15 MPa.

2

Keraminės dangos atsparumo šiluminiam smūgiui gerinimas retųjų žemių medžiagomis

Atsparumo terminiam smūgiui bandymas yra svarbus bandymas, siekiant kokybiškai įvertinti dangos ir pagrindo sukibimo stiprumą bei dangos ir pagrindo šiluminio plėtimosi koeficiento atitikimą. Jis tiesiogiai atspindi dangos gebėjimą atsispirti lupimuisi, kai naudojimo metu temperatūra kinta pakaitomis, taip pat dangos gebėjimą atsispirti mechaniniam smūgiui ir sukibimo su pagrindu gebėjimą iš šono. Todėl tai taip pat yra pagrindinis veiksnys, vertinant keraminės dangos kokybę.

Tyrimai rodo, kad pridėjus 3,0 % CeO2, galima sumažinti dangos poringumą ir porų dydį, taip pat sumažinti įtempių koncentraciją porų kraštuose, taip pagerinant Cr2O3 dangos atsparumą terminiam smūgiui. Tačiau pridėjus LaO2, sumažėjo Al2O3 keraminės dangos poringumas, o dangos sukibimo stiprumas ir terminio smūgio atsparumas akivaizdžiai padidėjo. Kai pridėto LaO2 kiekis yra 6 % (masės dalis), dangos atsparumas terminiam smūgiui yra geriausias, o terminio smūgio atsparumas gali siekti 218 kartų, o dangos be LaO2 terminio smūgio atsparumas yra tik 163 kartus.

3

Retųjų žemių oksidai veikia dangų atsparumą dilimui

Keraminių dangų atsparumui dilimui pagerinti dažniausiai naudojami retųjų žemių oksidai yra CeO2 ir La2O3. Jų šešiakampė sluoksniuota struktūra gali pasižymėti gera tepimo funkcija ir išlaikyti stabilias chemines savybes aukštoje temperatūroje, o tai gali veiksmingai pagerinti atsparumą dilimui ir sumažinti trinties koeficientą.

Tyrimai rodo, kad dangos su tinkamu CeO2 kiekiu trinties koeficientas yra mažas ir stabilus. Pranešama, kad La2O3 pridėjimas prie plazma purškiamos nikelio pagrindo kermeto dangos gali akivaizdžiai sumažinti dangos trinties dilimą ir trinties koeficientą, o trinties koeficientas yra stabilus ir mažai svyruoja. Apdailos sluoksnio be retųjų žemių dilimo paviršius pasižymi dideliu sukibimu, trapumu ir skilimu. Tačiau danga, kurioje yra retųjų žemių, silpnai sukiba su dilimo paviršiumi ir nėra didelio ploto trapumo skilimo požymių. Retųjų žemių legiruotos dangos mikrostruktūra yra tankesnė ir kompaktiškesnė, o poros yra mažesnės, todėl sumažėja vidutinė mikroskopinių dalelių patiriama trinties jėga ir sumažėja trintis bei dilimas. Retųjų žemių legiravimas taip pat gali padidinti kermetų kristalinės plokštumos atstumą. Tai lemia sąveikos jėgos tarp dviejų kristalo paviršių pasikeitimą ir sumažina trinties koeficientą.

Santrauka:

Nors retųjų žemių oksidai padarė didelę pažangą keraminių medžiagų ir dangų srityje, galintys efektyviai pagerinti keraminių medžiagų ir dangų mikrostruktūrą ir mechanines savybes, vis dar yra daug nežinomų savybių, ypač mažinant trintį ir dilimą. Kaip užtikrinti, kad medžiagų stiprumas ir atsparumas dilimui derėtų su jų tepimo savybėmis, tapo svarbia kryptimi, verta diskusijų tribologijos srityje.

Tel.: +86-21-20970332El. paštas：info@shxlchem.com