מהי השפעתן של תחמוצות אדמה נדירות על ציפויים קרמיים?

קרמיקה, חומרי מתכת וחומרי פולימר רשומים כשלושת החומרים המוצקים העיקריים. לקרמיקה תכונות מצוינות רבות, כגון עמידות בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בפני שחיקה וכו', מכיוון שאופן הקשר האטומי של הקרמיקה הוא קשר יוני, קשר קוולנטי או קשר מעורב יון-קוולנטי עם אנרגיית קשר גבוהה. ציפוי קרמי יכול לשנות את המראה, המבנה והביצועים של המשטח החיצוני של המצע, ציפוי-מצע מרוכב מועדף בשל ביצועיו החדשים. הוא יכול לשלב באופן אורגני את המאפיינים המקוריים של המצע עם המאפיינים של עמידות בטמפרטורה גבוהה, עמידות גבוהה בפני שחיקה ועמידות גבוהה בפני קורוזיה של חומרים קרמיים, ולתת משחק מלא ליתרונות המקיפים של שני סוגי החומרים, ולכן הוא נמצא בשימוש נרחב בתעופה וחלל, בהגנה הלאומית, בתעשייה הכימית ובתעשיות אחרות.

מתכות אדמה נדירות נקראות "בית האוצר" של חומרים חדשים, בשל המבנה האלקטרוני הייחודי שלהן (4f) ותכונותיהן הפיזיקליות והכימיות. עם זאת, מתכות אדמה נדירות טהורות משמשות לעיתים רחוקות ישירות במחקר, ולרוב נעשה שימוש בתרכובות אדמה נדירות. התרכובות הנפוצות ביותר הן CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS ופרוסיליקן אדמה נדירה. תרכובות אדמה נדירות אלו יכולות לשפר את המבנה והתכונות של חומרים קרמיים וציפויים קרמיים.

יישום של תחמוצות אדמה נדירות בחומרים קרמיים

הוספת יסודות אדמה נדירה כמייצבים ועזרים לסינטור לקרמיקה שונה יכולה להפחית את טמפרטורת הסינטור, לשפר את החוזק והקשיחות של חלק מהקרמיקה המבנית, ובכך להפחית את עלות הייצור. במקביל, יסודות אדמה נדירה ממלאים גם תפקיד חשוב מאוד בחיישני גז מוליכים למחצה, מדיות מיקרוגל, קרמיקה פיזואלקטרית וקרמיקה פונקציונלית אחרת. המחקר מצא כי הוספת שתי תחמוצות אדמה נדירה או יותר לקרמיקה מאלומינה עדיפה על הוספת תחמוצת אדמה נדירה אחת לקרמיקה מאלומינה. לאחר בדיקת אופטימיזציה, Y2O3+CeO2 השיגה את האפקט הטוב ביותר. כאשר מוסיפים 0.2%Y2O3+0.2%CeO2 בטמפרטורה של 1490℃, הצפיפות היחסית של הדגימות המסונטרות יכולה להגיע ל-96.2%, העולה על הצפיפות של דגימות עם כל תחמוצת אדמה נדירה Y2O3 או CeO2 בלבד.

ההשפעה של La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 בקידום הסינטור טובה יותר מזו של הוספת La2O3 בלבד, ועמידות הבלאי משופרת באופן ברור. כמו כן, הדבר מראה כי ערבוב של שתי תחמוצות אדמה נדירות אינו הוספה פשוטה, אלא שישנה אינטראקציה ביניהן, דבר המועיל יותר לסינטור ולשיפור הביצועים של קרמיקה מאלומינה, אך העיקרון נותר לחקור.

בנוסף, נמצא כי הוספת תחמוצות מתכות נדירות מעורבות כחומר סינטור יכול לשפר את נדידת החומרים, לקדם את סינטור הקרמיקה של MgO ולשפר את הצפיפות. עם זאת, כאשר תכולת תחמוצת המתכת המעורבת עולה על 15%, הצפיפות היחסית יורדת והנקבוביות הפתוחה עולה.

שנית, השפעת תחמוצות אדמה נדירות על תכונות הציפויים הקרמיים

מחקרים קיימים מראים כי יסודות אדמה נדירים יכולים לעדן את גודל הגרעינים, להגדיל את הצפיפות, לשפר את המיקרו-מבנה ולטהר את הממשק. הם ממלאים תפקיד ייחודי בשיפור החוזק, הקשיחות, הקשיות, עמידות הבלאי ועמידות בפני קורוזיה של ציפויים קרמיים, מה שמשפר במידה מסוימת את ביצועי הציפויים הקרמיים ומרחיב את טווח היישום של ציפויים קרמיים.

1

שיפור תכונות מכניות של ציפויים קרמיים על ידי תחמוצות אדמה נדירות

תחמוצות אדמה נדירות יכולות לשפר משמעותית את הקשיות, חוזק הכיפוף וחוזק הקשר המתיחה של ציפויים קרמיים. תוצאות הניסוי מראות כי ניתן לשפר ביעילות את חוזק המתיחה של הציפוי על ידי שימוש ב-Lao_2 כתוסף בחומר Al2O3+3% TiO_2, וחוזק הקשר המתיחה יכול להגיע ל-27.36MPa כאשר כמות ה-Lao_2 היא 6.0%. הוספת CeO2 עם שבר מסה של 3.0% ו-6.0% לחומר Cr2O3. חוזק הקשר המתיחה של הציפוי הוא בין 18~25MPa, גדול מה-12~16MPa המקורי. עם זאת, כאשר תכולת ה-CeO2 היא 9.0%, חוזק הקשר המתיחה יורד ל-12~15MPa.

2

שיפור עמידות בפני הלם תרמי של ציפוי קרמי על ידי אדמה נדירה

בדיקת עמידות בפני הלם תרמי היא בדיקה חשובה לשיקוף איכותי של חוזק ההדבקה בין הציפוי למצע ואת ההתאמה של מקדם ההתפשטות התרמית בין הציפוי למצע. היא משקפת ישירות את יכולתו של הציפוי לעמוד בפני קילוף כאשר הטמפרטורה משתנה לסירוגין במהלך השימוש, וגם משקפת את יכולתו של הציפוי לעמוד בפני עייפות הלם מכני ואת יכולת ההדבקה עם המצע מהצד. לכן, זהו גם גורם מפתח לשיפוט איכות הציפוי הקרמי.

המחקר מראה כי תוספת של 3.0% CeO2 יכולה להפחית את הנקבוביות וגודל הנקבוביות בציפוי, ולהפחית את ריכוז המאמץ בשולי הנקבוביות, ובכך לשפר את עמידות הציפוי בפני הלם תרמי Cr2O3. עם זאת, נקבוביות הציפוי הקרמי Al2O3 ירדה, וחוזק ההדבקה ואורך החיים של הציפוי בפני הלם תרמי גדלו באופן ניכר לאחר הוספת LaO2. כאשר כמות התוספת של LaO2 היא 6% (חלק מסה), עמידות הציפוי בפני הלם תרמי היא הטובה ביותר, ואורך החיים של הציפוי בפני הלם תרמי יכול להגיע לפי 218, בעוד שאורך החיים של הציפוי בפני הלם תרמי ללא LaO2 הוא פי 163 בלבד.

3

תחמוצות אדמה נדירות משפיעות על עמידות הבלאי של ציפויים

תחמוצות אדמה נדירות המשמשות לשיפור עמידות הבלאי של ציפויים קרמיים הן בעיקר CeO2 ו-La2O3. המבנה השכבתי המשושה שלהן יכול להפגין תפקוד סיכה טוב ולשמור על תכונות כימיות יציבות בטמפרטורה גבוהה, מה שיכול לשפר ביעילות את עמידות הבלאי ולהפחית את מקדם החיכוך.

המחקר מראה כי מקדם החיכוך של הציפוי עם כמות מתאימה של CeO2 הוא קטן ויציב. דווח כי הוספת La2O3 לציפוי צרמט מבוסס ניקל המרוסס בפלזמה יכולה להפחית באופן ברור את שחיקת החיכוך ואת מקדם החיכוך של הציפוי, ומקדם החיכוך יציב עם תנודות מועטות. משטח הבלאי של שכבת הציפוי ללא אדמה נדירה מראה הידבקות משמעותית, שבר וקילוף. עם זאת, ציפוי המכיל אדמה נדירה מראה הידבקות חלשה על המשטח השחוק, ואין סימן לקילוף שביר בשטח גדול. המיקרו-מבנה של ציפוי מסומם באדמה נדירה צפוף וקומפקטי יותר, והנקבוביות מצטמצמות, מה שמפחית את כוח החיכוך הממוצע המופעל על ידי חלקיקים מיקרוסקופיים ומפחית את החיכוך והבלאי. סימום אדמה נדירה יכול גם להגדיל את מרחק מישור הגביש של צרמט, מה שמוביל לשינוי בכוח האינטראקציה בין שני פני הגביש ומפחית את מקדם החיכוך.

תַקצִיר:

למרות שתחמוצות אדמה נדירות הגיעו להישגים גדולים ביישום חומרים וציפויים קרמיים, שיכולים לשפר ביעילות את המיקרו-מבנה והתכונות המכניות של חומרים וציפויים קרמיים, עדיין ישנן תכונות רבות לא ידועות, במיוחד בהפחתת חיכוך ובלאי. כיצד לגרום לחוזק ולעמידות בפני שחיקה של חומרים לשתף פעולה עם תכונות הסיכה שלהם הפך לכיוון חשוב ראוי לדיון בתחום הטריבולוגיה.

טלפון: 86-21-20970332+אֶלֶקטרוֹנִי：info@shxlchem.com