Aplicação de Terras Raras em Materiais Compósitos

Aplicação deTerras rarasem Materiais Compósitos
Os elementos de terras raras possuem estrutura eletrônica 4f única, grande momento magnético atômico, forte acoplamento de spin e outras características. Ao formar complexos com outros elementos, seu número de coordenação pode variar de 6 a 12. Os compostos de terras raras possuem uma variedade de estruturas cristalinas. As propriedades físicas e químicas especiais das terras raras as tornam amplamente utilizadas na fundição de aço e metais não ferrosos de alta qualidade, vidros especiais e cerâmicas de alto desempenho, materiais de ímãs permanentes, materiais de armazenamento de hidrogênio, materiais luminescentes e de laser, materiais nucleares e outros campos. Com o desenvolvimento contínuo de materiais compósitos, a aplicação de terras raras também se expandiu para o campo de materiais compósitos, atraindo ampla atenção para o aprimoramento das propriedades de interface entre materiais heterogêneos.

As principais formas de aplicação de terras raras na preparação de materiais compósitos incluem: ① adiçãometais de terras raraspara materiais compósitos; ② Adicionar na forma deóxidos de terras rarasao material compósito; 3. Polímeros dopados ou ligados com metais de terras raras em polímeros são usados ​​como materiais de matriz em materiais compósitos. Dentre as três formas de aplicação de terras raras mencionadas, as duas primeiras formas são adicionadas principalmente a compósitos com matriz metálica, enquanto a terceira é aplicada principalmente a compósitos com matriz polimérica, e a segunda forma é adicionada principalmente a compósitos com matriz cerâmica.

Terra raraatua principalmente em compósitos de matriz metálica e matriz cerâmica na forma de aditivos, estabilizantes e aditivos de sinterização, melhorando significativamente seu desempenho, reduzindo custos de produção e tornando possível sua aplicação industrial.

A adição de elementos de terras raras como aditivos em materiais compósitos desempenha um papel principal na melhoria do desempenho da interface dos materiais compósitos e na promoção do refinamento dos grãos da matriz metálica. O mecanismo de ação é o seguinte.

① Melhorar a molhabilidade entre a matriz metálica e a fase de reforço. A eletronegatividade dos elementos de terras raras é relativamente baixa (quanto menor a eletronegatividade dos metais, mais ativa a eletronegatividade dos não metais). Por exemplo, La é 1,1, Ce é 1,12 e Y é 1,22. A eletronegatividade do metal base comum Fe é 1,83, Ni é 1,91 e Al é 1,61. Portanto, os elementos de terras raras adsorverão preferencialmente nos contornos de grão da matriz metálica e da fase de reforço durante o processo de fundição, reduzindo sua energia de interface, aumentando o trabalho de adesão da interface, reduzindo o ângulo de molhabilidade e, assim, melhorando a molhabilidade entre a matriz e a fase de reforço. Pesquisas demonstraram que a adição do elemento La à matriz de alumínio melhora efetivamente a molhabilidade do Al2O3 e do alumínio líquido, e melhora a microestrutura de materiais compósitos.

2. Promover o refinamento dos grãos da matriz metálica. A solubilidade das terras raras em cristais metálicos é pequena, pois o raio atômico dos elementos de terras raras é grande e o raio atômico da matriz metálica é relativamente pequeno. A entrada de elementos de terras raras com raio maior na rede da matriz causará distorção na rede, o que aumentará a energia do sistema. Para manter a menor energia livre, os átomos de terras raras só podem enriquecer em direção aos contornos irregulares dos grãos, o que, em certa medida, dificulta o livre crescimento dos grãos da matriz. Ao mesmo tempo, os elementos de terras raras enriquecidos também adsorverão outros elementos de liga, aumentando o gradiente de concentração dos elementos de liga, causando sub-resfriamento local dos componentes e potencializando o efeito de nucleação heterogênea da matriz metálica líquida. Além disso, o sub-resfriamento causado pela segregação elementar também pode promover a formação de compostos segregados e se tornar partículas de nucleação heterogêneas efetivas, promovendo assim o refinamento dos grãos da matriz metálica.

3. Purificação dos contornos de grão. Devido à forte afinidade entre elementos de terras raras e elementos como O, S, P, N, etc., a energia livre padrão de formação de óxidos, sulfetos, fosfetos e nitretos é baixa. Esses compostos possuem alto ponto de fusão e baixa densidade, sendo que alguns podem ser removidos por flutuação do líquido da liga, enquanto outros são distribuídos uniformemente dentro do grão, reduzindo a segregação de impurezas no contorno de grão, purificando assim o contorno de grão e melhorando sua resistência.

Deve-se observar que, devido à alta atividade e ao baixo ponto de fusão dos metais de terras raras, quando eles são adicionados ao compósito de matriz metálica, seu contato com o oxigênio precisa ser especialmente controlado durante o processo de adição.

Um grande número de práticas comprovou que a adição de óxidos de terras raras como estabilizantes, auxiliares de sinterização e modificadores de dopagem a diferentes compósitos de matriz metálica e cerâmica pode melhorar significativamente a resistência e a tenacidade dos materiais, reduzir sua temperatura de sinterização e, assim, reduzir os custos de produção. O principal mecanismo de ação é o seguinte.

① Como aditivo de sinterização, pode promover a sinterização e reduzir a porosidade em materiais compósitos. A adição de aditivos de sinterização visa gerar uma fase líquida em altas temperaturas, reduzir a temperatura de sinterização dos materiais compósitos, inibir a decomposição em alta temperatura dos materiais durante o processo de sinterização e obter materiais compósitos densos por meio da sinterização em fase líquida. Devido à alta estabilidade, baixa volatilidade em alta temperatura e altos pontos de fusão e ebulição dos óxidos de terras raras, eles podem formar fases vítreas com outras matérias-primas e promover a sinterização, tornando-os um aditivo eficaz. Ao mesmo tempo, o óxido de terras raras também pode formar uma solução sólida com a matriz cerâmica, o que pode gerar defeitos cristalinos internos, ativar a rede e promover a sinterização.

2. Melhorar a microestrutura e refinar o tamanho dos grãos. Devido ao fato de os óxidos de terras raras adicionados existirem principalmente nos contornos de grãos da matriz e ao seu grande volume, os óxidos de terras raras apresentam alta resistência à migração na estrutura e também dificultam a migração de outros íons, reduzindo assim a taxa de migração dos contornos de grãos, inibindo o crescimento dos grãos e dificultando o crescimento anormal dos grãos durante a sinterização em alta temperatura. Eles podem obter grãos pequenos e uniformes, o que é propício à formação de estruturas densas; por outro lado, ao dopar os óxidos de terras raras, eles entram na fase vítrea do contorno de grãos, melhorando a resistência da fase vítrea e, assim, alcançando o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas do material.

Elementos de terras raras em compósitos de matriz polimérica afetam principalmente a matriz polimérica, melhorando suas propriedades. Óxidos de terras raras podem aumentar a temperatura de decomposição térmica dos polímeros, enquanto carboxilatos de terras raras podem melhorar a estabilidade térmica do cloreto de polivinila. A dopagem do poliestireno com compostos de terras raras pode melhorar a estabilidade do poliestireno e aumentar significativamente sua resistência ao impacto e à flexão.