יישום של אדמה נדירה בחומרים מרוכבים

יישום שלכדור הארץ הנדירבחומרים מרוכבים
ליסודות אדמה נדירה יש מבנה אלקטרוני ייחודי של 4f, מומנט מגנטי אטומי גדול, צימוד ספין חזק ומאפיינים נוספים. כאשר יוצרים קומפלקסים עם יסודות אחרים, מספר הקואורדינציה שלהם יכול לנוע בין 6 ל-12. לתרכובות אדמה נדירה יש מגוון מבני גביש. התכונות הפיזיקליות והכימיות המיוחדות של אדמה נדירה הופכות אותן לשימוש נרחב בהתכת פלדה איכותית ומתכות לא ברזליות, זכוכית מיוחדת וקרמיקה בעלת ביצועים גבוהים, חומרים למגנט קבוע, חומרי אחסון מימן, חומרים זוהרים ולייזר, חומרים גרעיניים ותחומים אחרים. עם הפיתוח המתמשך של חומרים מרוכבים, השימוש באדמה נדירה התרחב גם לתחום החומרים המרוכבים, ומשך תשומת לב נרחבת בשיפור תכונות הממשק בין חומרים הטרוגניים.

צורות היישום העיקריות של אדמה נדירה בהכנת חומרים מרוכבים כוללות: ① הוספהמתכות אדמה נדירותלחומרים מרוכבים; ② להוסיף בצורה שלתחמוצות אדמה נדירותלחומר מרוכב; ③ פולימרים מסוממים או קשורים עם מתכות אדמה נדירות בפולימרים משמשים כחומרי מטריצה ​​בחומרים מרוכבים. מבין שלוש צורות היישום הנ"ל של אדמה נדירה, שתי הצורות הראשונות מוספות בעיקר לחומר מרוכב מטריצת מתכת, בעוד שהשלישית מיושמת בעיקר לחומר מרוכב מטריצת פולימרים, והחומר מרוכב מטריצת קרמיקה מוסיף בעיקר בצורה השנייה.

אדמה נדירהפועל בעיקר על מטריצת מתכת ומטריצה ​​קרמית מרוכבת בצורה של תוספים, מייצבים ותוספי סינטור, משפר משמעותית את ביצועיהם, מפחית את עלויות הייצור ומאפשר את יישומם התעשייתי.

הוספת יסודות אדמה נדירים כתוספים בחומרים מרוכבים משחקת תפקיד בעיקר בשיפור ביצועי הממשק של חומרים מרוכבים ובקידום עידון גרגירי מטריצת המתכת. מנגנון הפעולה הוא כדלקמן.

① לשפר את יכולת הרטיבה בין מטריצת המתכת לפאזה המחזקת. האלקטרוניטיביות של יסודות אדמה נדירים נמוכה יחסית (ככל שהאלקטרוניטיביות של מתכות קטנה יותר, כך האלקטרוניטיביות של לא-מתכות פעילה יותר). לדוגמה, La הוא 1.1, Ce הוא 1.12, ו-Y הוא 1.22. האלקטרוניטיביות של מתכת בסיסית נפוצה Fe היא 1.83, Ni הוא 1.91, ו-Al הוא 1.61. לכן, יסודות אדמה נדירים יספחו באופן עדיף על גבולות הגרעינים של מטריצת המתכת ופאזה המחזקת במהלך תהליך ההתכה, מה שמפחית את אנרגיית הממשק שלהם, מגביר את עבודת ההדבקה של הממשק, מפחית את זווית ההרטבה, ובכך משפר את יכולת הרטיבה בין המטריצה ​​לפאזה המחזקת. מחקרים הראו כי הוספת יסוד La למטריצת האלומיניום משפרת ביעילות את יכולת הרטיבה של AlO ונוזל אלומיניום, ומשפרת את המיקרו-מבנה של חומרים מרוכבים.

② לקדם את עידון גרגירי מטריצת המתכת. המסיסות של אדמה נדירה בגביש מתכת קטנה, מכיוון שהרדיוס האטומי של יסודות אדמה נדירה גדול, והרדיוס האטומי של מטריצת המתכת קטן יחסית. כניסתם של יסודות אדמה נדירה בעלי רדיוס גדול יותר לסריג המטריצה ​​תגרום לעיוות הסריג, מה שיגדיל את אנרגיית המערכת. כדי לשמור על אנרגיה חופשית נמוכה ביותר, אטומי אדמה נדירה יכולים להעשיר רק לכיוון גבולות גרגירים לא סדירים, מה שמעכב במידה מסוימת את הצמיחה החופשית של גרגירי המטריצה. במקביל, יסודות אדמה נדירה מועשרים יספגו גם יסודות סגסוגת אחרים, מה שיגדיל את מפל הריכוזים של יסודות הסגסוגת, יגרום לתת-קירור מקומי של רכיבים, ויגביר את אפקט ההתגרענות ההטרוגנית של מטריצת המתכת הנוזלית. בנוסף, תת-הקירור הנגרם על ידי הפרדה אלמנטרית יכול גם לקדם את היווצרותן של תרכובות הפרדה ולהפוך לחלקיקי התגרענות הטרוגניים יעילים, ובכך לקדם את עידון גרגירי מטריצת המתכת.

③ טיהור גבולות הגרעינים. בשל הזיקה החזקה בין יסודות אדמה נדירים ליסודות כמו O, S, P, N וכו', האנרגיה החופשית הסטנדרטית של היווצרות תחמוצות, סולפידים, פוספידים וניטרידים נמוכה. לתרכובות אלו נקודת התכה גבוהה וצפיפות נמוכה, שחלקן ניתנות להסרה על ידי צף מנוזל הסגסוגת, בעוד שאחרות מפוזרות באופן שווה בתוך הגרעין, מה שמפחית את הפרדת הזיהומים בגבול הגרעין, ובכך מטהרות את גבול הגרעין ומשפרות את חוזקו.

יש לציין כי בשל הפעילות הגבוהה ונקודת ההיתוך הנמוכה של מתכות אדמה נדירות, כאשר הן מוסיפות למטריצת מתכת מרוכבת, יש לשלוט במיוחד במגע שלהן עם חמצן במהלך תהליך ההוספה.

מספר רב של שיטות הוכיחו כי הוספת תחמוצות אדמה נדירות כמייצבים, עזרי סינטור ומשפרי סימום למטריצות מתכת שונות ולמטריצות קרמיות יכולה לשפר מאוד את חוזקם וקשיחותם של חומרים, להפחית את טמפרטורת הסינטר שלהם ובכך להפחית את עלויות הייצור. מנגנון הפעולה העיקרי הוא כדלקמן.

① כתוסף סינטור, הוא יכול לקדם סינטור ולהפחית נקבוביות בחומרים מרוכבים. הוספת תוספי סינטור נועדה ליצור פאזה נוזלית בטמפרטורות גבוהות, להפחית את טמפרטורת הסינטור של חומרים מרוכבים, לעכב את הפירוק בטמפרטורה גבוהה של חומרים במהלך תהליך הסינטור, ולקבל חומרים מרוכבים צפופים באמצעות סינטור פאזה נוזלית. בשל היציבות הגבוהה, התנודתיות החלשה בטמפרטורה גבוהה ונקודות ההיתוך והרתיחה הגבוהות של תחמוצות אדמה נדירות, הן יכולות ליצור פאזות זכוכית עם חומרי גלם אחרים ולקדם סינטור, מה שהופך אותן לתוסף יעיל. יחד עם זאת, תחמוצת אדמה נדירה יכולה גם ליצור תמיסה מוצקה עם המטריצה ​​הקרמית, מה שיכול ליצור פגמי גביש בפנים, להפעיל את הסריג ולקדם סינטור.

② שיפור המיקרו-מבנה ועידון גודל הגרעינים. בשל העובדה שתחמוצות אדמה נדירה שנוספו קיימות בעיקר בגבולות הגרעינים של המטריצה, ובשל נפחן הגדול, לתחמוצות אדמה נדירה יש עמידות גבוהה לנדידה במבנה, והן גם מעכבות את נדידת יונים אחרים, ובכך מפחיתות את קצב הנדידה של גבולות הגרעינים, מעכבות את צמיחת הגרעינים ומעכבות את הצמיחה הלא תקינה של גרגירים במהלך סינטור בטמפרטורה גבוהה. הן יכולות להשיג גרגירים קטנים ואחידים, דבר התורם להיווצרות מבנים צפופים; מצד שני, על ידי סימום תחמוצות אדמה נדירה, הן נכנסות לפאזה זכוכיתית בגבול הגרעינים, משפרות את חוזק פאזת הזכוכית ובכך משיגות את המטרה של שיפור התכונות המכניות של החומר.

יסודות אדמה נדירה בחומרים מרוכבים של מטריצת פולימר משפיעים עליהם בעיקר על ידי שיפור תכונות מטריצת הפולימר. תחמוצות אדמה נדירה יכולות להעלות את טמפרטורת הפירוק התרמי של פולימרים, בעוד שקרבוקסילטים של אדמה נדירה יכולים לשפר את היציבות התרמית של פוליוויניל כלוריד. סימום פוליסטירן עם תרכובות אדמה נדירה יכול לשפר את יציבות הפוליסטירן ולהגדיל משמעותית את חוזק הפגיעה וחוזק הכיפוף שלו.