יישום של אדמה נדירה בחומרים מרוכבים

יישום שלכדור הארץ נדירבחומרים מרוכבים
ליסודות אדמה נדירים יש מבנה אלקטרוני 4f ייחודי, מומנט מגנטי אטומי גדול, צימוד ספין חזק ומאפיינים נוספים. בעת יצירת קומפלקסים עם יסודות אחרים, מספר הקואורדינציה שלהם יכול להשתנות בין 6 ל-12. לתרכובות נדירות של כדור הארץ יש מגוון של מבני גביש. התכונות הפיזיקליות והכימיות המיוחדות של כדורי אדמה נדירים הופכים אותם לשימוש נרחב בהתכה של פלדה איכותית ומתכות לא ברזליות, זכוכית מיוחדת וקרמיקה בעלת ביצועים גבוהים, חומרים מגנטים קבועים, חומרים לאחסון מימן, חומרים זוהרים ולייזר, חומרים גרעיניים , ותחומים אחרים. עם הפיתוח המתמשך של חומרים מרוכבים, היישום של כדורי אדמה נדירים התרחב גם לתחום החומרים המרוכבים, ומושך תשומת לב רחבה בשיפור מאפייני הממשק בין חומרים הטרוגניים.

צורות היישום העיקריות של אדמה נדירה בהכנת חומרים מרוכבים כוללים: ① הוספהמתכות אדמה נדירותלחומרים מרוכבים; ② הוסף בצורה שלתחמוצות אדמה נדירותלחומר המרוכב; ③ פולימרים מסוממים או קשורים עם מתכות אדמה נדירות בפולימרים משמשים כחומרי מטריקס בחומרים מרוכבים. בין שלושת הצורות הנ"ל של יישום אדמה נדירה, שתי הצורות הראשונות מתווספות לרוב לחומר מרוכב מטריצת מתכת, בעוד שהשלישית מיושמת בעיקר על מרוכבים מטריצות פולימריות, ורכיבי מטריצה ​​קרמיים מתווספים בעיקר בצורה השנייה.

אדמה נדירהפועל בעיקר על מטריצת מתכת ומטריצה ​​קרמית בצורת תוספים, מייצבים ותוספי סינטר, משפר מאוד את ביצועיהם, מפחית את עלויות הייצור ומאפשר את היישום התעשייתי שלו.

התוספת של יסודות אדמה נדירים כתוספים בחומרים מרוכבים ממלאת בעיקר תפקיד בשיפור ביצועי הממשק של חומרים מרוכבים וקידום חידודם של גרגרי מטריצת מתכת. מנגנון הפעולה הוא כדלקמן.

① שפר את יכולת ההרטבה בין מטריצת המתכת לשלב החיזוק. האלקטרושליליות של יסודות אדמה נדירים נמוכה יחסית (ככל שהאלקטרושליליות של מתכות קטנה יותר, כך האלקטרושליליות של אי-מתכות פעילה יותר). לדוגמה, La הוא 1.1, Ce הוא 1.12, ו-Y הוא 1.22. האלקטרושליליות של מתכת בסיס נפוצה Fe היא 1.83, Ni הוא 1.91, ו-Al הוא 1.61. לכן, יסודות אדמה נדירים יספגו בעדיפות על גבולות התבואה של מטריצת המתכת ושלב החיזוק במהלך תהליך ההיתוך, יפחיתו את אנרגיית הממשק שלהם, יגדילו את עבודת ההדבקה של הממשק, יפחיתו את זווית ההרטבה, ובכך ישפרו את יכולת ההרטבה בין המטריצה. ושלב החיזוק. מחקרים הראו שהוספת אלמנט La למטריצת האלומיניום משפרת ביעילות את יכולת ההרטבה של AlO ונוזל אלומיניום, ומשפרת את המבנה המיקרו של חומרים מרוכבים.

② לקדם את העידון של גרגרי מטריצת מתכת. המסיסות של אדמה נדירה בגביש מתכת קטנה, מכיוון שהרדיוס האטומי של יסודות אדמה נדירים גדול, והרדיוס האטומי של מטריצת המתכת קטן יחסית. כניסתם של יסודות אדמה נדירים בעלי רדיוס גדול יותר לתוך סריג המטריצה ​​תגרום לעיוות סריג, שיגדיל את אנרגיית המערכת. כדי לשמור על האנרגיה החופשית הנמוכה ביותר, אטומי אדמה נדירים יכולים להתעשר רק לקראת גבולות גרגרים לא סדירים, מה שמפריע במידה מסוימת לצמיחה חופשית של גרגרי מטריקס. במקביל, יסודות האדמה הנדירים המועשרים יספגו גם יסודות סגסוגת אחרים, ויגדילו את שיפוע הריכוז של יסודות הסגסוגת, יגרמו לקירור נמוך של הרכיבים המקומיים, ויעצימו את אפקט הגרעין ההטרוגני של מטריצת המתכת הנוזלית. בנוסף, התת-קירור הנגרם על ידי הפרדה יסודית יכול גם לקדם היווצרות של תרכובות מופרדות ולהפוך לחלקיקי גרעין הטרוגניים יעילים, ובכך לקדם את עידון גרגרי המטריצת המתכת.

③ טהר את גבולות התבואה. בשל הזיקה החזקה בין יסודות אדמה נדירים ליסודות כגון O, S, P, N וכו', האנרגיה החופשית הסטנדרטית של היווצרות תחמוצות, סולפידים, פוספידים וניטרידים נמוכה. לתרכובות אלו נקודת התכה גבוהה וצפיפות נמוכה, חלקן ניתנות להסרה על ידי ציפה מעלה מנוזל הסגסוגת, בעוד שאחרות מפוזרות באופן שווה בתוך הדגן, מפחיתות את הפרדת הזיהומים בגבול התבואה, ובכך מטהרות את גבול התבואה. שיפור כוחו.

יש לציין כי בשל הפעילות הגבוהה ונקודת ההיתוך הנמוכה של מתכות אדמה נדירות, כאשר הן מתווספות למטריצת מתכת מרוכבת, המגע שלהן עם חמצן צריך להיות בקרה מיוחדת במהלך תהליך ההוספה.

מספר רב של שיטות עבודה הוכיחו שהוספת תחמוצות אדמה נדירות כמייצבים, עזרי סינטר ותכשירי סימום למטריצות מתכת שונות ולחומרי מטריצה ​​קרמית יכולה לשפר מאוד את החוזק והקשיחות של חומרים, להפחית את טמפרטורת הסינטר שלהם, ובכך להפחית את עלויות הייצור. המנגנון העיקרי של פעולתו הוא כדלקמן.

① כתוסף סינטר, זה יכול לקדם סינטר ולהפחית נקבוביות בחומרים מרוכבים. התוספת של תוספי סינטר היא ליצור פאזה נוזלית בטמפרטורות גבוהות, להפחית את טמפרטורת הסינטר של חומרים מרוכבים, לעכב את הפירוק בטמפרטורה גבוהה של חומרים במהלך תהליך הסינטר, ולהשיג חומרים מרוכבים צפופים באמצעות סינטר פאזה נוזלית. בשל היציבות הגבוהה, תנודתיות חלשה בטמפרטורות גבוהות ונקודות התכה ורתיחה גבוהות של תחמוצות אדמה נדירות, הם יכולים ליצור שלבי זכוכית עם חומרי גלם אחרים ולקדם סינטר, מה שהופך אותם לתוסף יעיל. במקביל, תחמוצת האדמה הנדירה יכולה גם ליצור תמיסה מוצקה עם המטריצה ​​הקרמית, שיכולה ליצור פגמי גביש בפנים, להפעיל את הסריג ולקדם סינטר.

② שפר את המבנה המיקרו וחדד את גודל הגרגרים. בשל העובדה שתחמוצות האדמה הנדירות הנוספות קיימות בעיקר בגבולות התבואה של המטריצה, ובשל נפחן הגדול, לתחמוצות אדמה נדירות יש התנגדות גבוהה לנדידה במבנה, וכן מעכבות נדידת יונים אחרים, ובכך מפחיתות את קצב הגירה של גבולות דגן, עיכוב צמיחת גרגרים, ומפריע לצמיחה לא תקינה של גרגרים במהלך סינטר בטמפרטורה גבוהה. הם יכולים להשיג גרגירים קטנים ואחידים, מה שמסייע להיווצרות מבנים צפופים; מצד שני, על ידי סימום תחמוצות אדמה נדירות, הן נכנסות לשלב הזכוכית בגבול התבואה, משפרים את חוזק שלב הזכוכית ובכך משיגים את המטרה של שיפור התכונות המכניות של החומר.

יסודות אדמה נדירים ברכיבים מרוכבים של מטריקס פולימריים משפיעים עליהם בעיקר על ידי שיפור תכונות המטריצה ​​הפולימרית. תחמוצות אדמה נדירות יכולות להגביר את טמפרטורת הפירוק התרמי של פולימרים, בעוד שקרבוקסילטים של אדמה נדירים יכולים לשפר את היציבות התרמית של פוליוויניל כלוריד. סימום פוליסטירן עם תרכובות אדמה נדירות יכול לשפר את יציבות הפוליסטירן ולהגדיל משמעותית את חוזק הפגיעה שלו וחוזק הכיפוף שלו.