Aplicação deTerra raraem Materiais Compósitos
Os elementos de terras raras possuem estrutura eletrônica 4f exclusiva, grande momento magnético atômico, forte acoplamento de rotação 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 tornam-nas amplamente utilizadas na fundição de aço de alta qualidade e metais não ferrosos, vidro especial e cerâmica de alto desempenho, materiais magnéticos permanentes, materiais de armazenamento de hidrogênio, materiais luminescentes e laser, materiais nucleares. e outros campos.Com o desenvolvimento contínuo de materiais compósitos, a aplicação de terras raras também se expandiu para o campo dos materiais compósitos, atraindo ampla atenção na melhoria 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 Adicione 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.Entre as três formas de aplicação de terras raras acima, as duas primeiras formas são principalmente adicionadas ao compósito com matriz metálica, enquanto a terceira é aplicada principalmente aos compósitos com matriz polimérica, e o compósito com matriz cerâmica é adicionado principalmente na segunda forma.
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 possibilitando sua aplicação industrial.
A adição de elementos de terras raras como aditivos em materiais compósitos desempenha principalmente um papel 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 é 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 serão preferencialmente adsorvidos nos limites de grão da matriz metálica e na fase de reforço durante o processo de fundição, reduzindo sua energia de interface, aumentando o trabalho de adesão da interface, reduzindo o ângulo de molhamento e, assim, melhorando a molhabilidade entre a matriz e fase de reforço.A pesquisa mostrou que a adição do elemento La à matriz de alumínio melhora efetivamente a molhabilidade do AlO e do alumínio líquido e melhora a microestrutura dos materiais compósitos.
② Promova o refinamento dos grãos da matriz metálica.A solubilidade das terras raras no cristal metálico é pequena, porque 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 da rede, o que aumentará a energia do sistema.Para manter a energia livre mais baixa, os átomos de terras raras só podem enriquecer em direção a limites de grãos irregulares, o que até certo ponto dificulta o crescimento livre dos grãos da matriz.Ao mesmo tempo, os elementos de terras raras enriquecidos também irão adsorver outros elementos de liga, aumentando o gradiente de concentração dos elementos de liga, causando sub-resfriamento dos componentes locais e aumentando o efeito de nucleação heterogênea da matriz de metal líquido.Além disso, o sub-resfriamento causado pela segregação elementar também pode promover a formação de compostos segregados e tornar-se partículas de nucleação heterogêneas eficazes, promovendo assim o refinamento dos grãos da matriz metálica.
③ Purifique os limites dos grãos.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 têm alto ponto de fusão e baixa densidade, alguns dos quais podem ser removidos flutuando no líquido da liga, enquanto outros são distribuídos uniformemente dentro do grão, reduzindo a segregação de impurezas no contorno do grão, purificando assim o contorno do grão e melhorando sua força.
Deve-se notar que, devido à alta atividade e baixo ponto de fusão dos metais de terras raras, quando são adicionados ao compósito com matriz metálica, seu contato com o oxigênio precisa ser especialmente controlado durante o processo de adição.
Um grande número de práticas provou que a adição de óxidos de terras raras como estabilizadores, auxiliares de sinterização e modificadores de dopagem a diferentes matrizes metálicas e compósitos de matriz cerâmica pode melhorar significativamente a resistência e tenacidade dos materiais, reduzir sua temperatura de sinterização e, assim, reduzir os custos de produção.O principal mecanismo de sua 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 de materiais compósitos, inibir a decomposição de materiais em alta temperatura durante o processo de sinterização e obter materiais compósitos densos por meio da sinterização em fase líquida.Devido à alta estabilidade, fraca 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 solução sólida com a matriz cerâmica, o que pode gerar defeitos no cristal em seu interior, ativar a rede e promover a sinterização.
② Melhore a microestrutura e refine o tamanho do grão.Devido ao fato de os óxidos de terras raras adicionados existirem principalmente nos limites de grão da matriz, e devido ao seu grande volume, os óxidos de terras raras têm alta resistência à migração na estrutura, e também dificultam a migração de outros íons, reduzindo assim o taxa de migração dos limites dos grãos, inibindo o crescimento dos grãos e dificultando o crescimento anormal dos grãos durante a sinterização em alta temperatura.Podem obter grãos pequenos e uniformes, o que favorece a formação de estruturas densas;Por outro lado, ao dopar óxidos de terras raras, eles entram na fase vítrea do limite do grão, melhorando a resistência da fase vítrea e atingindo assim o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas do material.
Os elementos de terras raras em compósitos de matriz polimérica os afetam principalmente, melhorando as propriedades da matriz polimérica.Os óxidos de terras raras podem aumentar a temperatura de decomposição térmica dos polímeros, enquanto os 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.
Horário da postagem: 26 de abril de 2023