Qual é a influência dos óxidos de terras raras em revestimentos cerâmicos?

Cerâmicas, materiais metálicos e materiais poliméricos são listados como os três principais materiais sólidos. A cerâmica possui inúmeras propriedades excelentes, como resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, resistência ao desgaste, etc., pois seu modo de ligação atômica é a ligação iônica, ligação covalente ou ligação mista íon-covalente com alta energia de ligação. O revestimento cerâmico pode alterar a aparência, a estrutura e o desempenho da superfície externa do substrato. O compósito revestimento-substrato é favorecido por seu novo desempenho. Ele pode combinar organicamente as características originais do substrato com as características de resistência a altas temperaturas, alta resistência ao desgaste e alta resistência à corrosão dos materiais cerâmicos, e aproveitar ao máximo as vantagens abrangentes dos dois tipos de materiais, sendo amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial, de aviação, de defesa nacional, química e outras.

As terras raras são chamadas de "tesouro" dos novos materiais devido à sua estrutura eletrônica 4f única e às suas propriedades físicas e químicas. No entanto, metais de terras raras puros raramente são usados ​​diretamente em pesquisas, sendo os compostos de terras raras os mais utilizados. Os compostos mais comuns são CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS e ferrossilício de terras raras. Esses compostos de terras raras podem melhorar a estrutura e as propriedades de materiais e revestimentos cerâmicos.

Aplicação de óxidos de terras raras em materiais cerâmicos

A adição de elementos de terras raras como estabilizadores e auxiliares de sinterização a diferentes cerâmicas pode reduzir a temperatura de sinterização, melhorar a resistência e a tenacidade de algumas cerâmicas estruturais e, assim, reduzir o custo de produção. Ao mesmo tempo, os elementos de terras raras também desempenham um papel muito importante em sensores de gás semicondutores, meios de micro-ondas, cerâmicas piezoelétricas e outras cerâmicas funcionais. A pesquisa descobriu que adicionar dois ou mais óxidos de terras raras a cerâmicas de alumina é melhor do que adicionar um único óxido de terras raras a cerâmicas de alumina. Após o teste de otimização, Y2O3 + CeO2 apresentou o melhor efeito. Quando 0,2% de Y2O3 + 0,2% de CeO2 é adicionado a 1490 ℃, a densidade relativa das amostras sinterizadas pode chegar a 96,2%, o que excede a densidade de amostras com qualquer óxido de terras raras Y2O3 ou CeO2 sozinho.

O efeito de La2O3+Y2O3 e Sm2O3+La2O3 na promoção da sinterização é superior ao da adição isolada de La2O3, e a resistência ao desgaste é claramente melhorada. Isso também demonstra que a mistura de dois óxidos de terras raras não é uma simples adição, mas sim uma interação entre eles, o que é mais benéfico para a sinterização e a melhoria do desempenho das cerâmicas de alumina. No entanto, o princípio ainda precisa ser estudado.

Além disso, verificou-se que a adição de óxidos metálicos de terras raras mistos como auxiliar de sinterização pode melhorar a migração de materiais, promover a sinterização de cerâmicas de MgO e melhorar a densidade. No entanto, quando o teor de óxidos metálicos mistos é superior a 15%, a densidade relativa diminui e a porosidade aberta aumenta.

Em segundo lugar, a influência dos óxidos de terras raras nas propriedades dos revestimentos cerâmicos

Pesquisas existentes demonstram que os elementos de terras raras podem refinar o tamanho do grão, aumentar a densidade, melhorar a microestrutura e purificar a interface. Eles desempenham um papel único no aprimoramento da resistência, tenacidade, dureza, resistência ao desgaste e resistência à corrosão de revestimentos cerâmicos, o que melhora o desempenho dos revestimentos cerâmicos até certo ponto e amplia a gama de aplicações dos revestimentos cerâmicos.

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Melhoria das propriedades mecânicas de revestimentos cerâmicos por óxidos de terras raras

Óxidos de terras raras podem melhorar significativamente a dureza, a resistência à flexão e a resistência à tração de revestimentos cerâmicos. Os resultados experimentais mostram que a resistência à tração do revestimento pode ser efetivamente melhorada com o uso de Lao _ 2 como aditivo em um material de Al2O3 + 3% de TiO _ 2 , e a resistência à tração pode atingir 27,36 MPa com uma quantidade de Lao _ 2 de 6,0%. Ao adicionar CeO2 com frações de massa de 3,0% e 6,0% ao material de Cr2O3 , a resistência à tração do revestimento fica entre 18 e 25 MPa, sendo maior que a resistência original de 12 a 16 MPa. No entanto, com uma concentração de CeO2 de 9,0%, a resistência à tração diminui para 12 a 15 MPa.

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Melhoria da resistência ao choque térmico do revestimento cerâmico por terras raras

O teste de resistência ao choque térmico é um teste importante para refletir qualitativamente a força de ligação entre o revestimento e o substrato, bem como a correspondência do coeficiente de expansão térmica entre o revestimento e o substrato. Ele reflete diretamente a capacidade do revestimento de resistir ao descascamento quando a temperatura muda alternadamente durante o uso, além de refletir a capacidade do revestimento de resistir à fadiga por choque mecânico e a capacidade de ligação com o substrato lateralmente. Portanto, também é um fator-chave para avaliar a qualidade do revestimento cerâmico.

A pesquisa demonstra que a adição de 3,0% de CeO2 pode reduzir a porosidade e o tamanho dos poros no revestimento, além de reduzir a concentração de tensões nas bordas dos poros, melhorando assim a resistência ao choque térmico do revestimento de Cr2O3. No entanto, a porosidade do revestimento cerâmico de Al2O3 diminuiu, e a resistência de ligação e a vida útil ao choque térmico do revestimento aumentaram significativamente após a adição de LaO2. Quando a quantidade de LaO2 adicionada é de 6% (fração de massa), a resistência ao choque térmico do revestimento é a melhor possível, e a vida útil ao choque térmico pode chegar a 218 vezes, enquanto a vida útil ao choque térmico do revestimento sem LaO2 é de apenas 163 vezes.

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Óxidos de terras raras afetam a resistência ao desgaste dos revestimentos

Os óxidos de terras raras utilizados para melhorar a resistência ao desgaste de revestimentos cerâmicos são principalmente CeO₂ e La₂O₂. Sua estrutura hexagonal em camadas apresenta boa função de lubrificação e mantém propriedades químicas estáveis ​​em altas temperaturas, o que pode efetivamente melhorar a resistência ao desgaste e reduzir o coeficiente de atrito.

A pesquisa mostra que o coeficiente de atrito do revestimento com a quantidade adequada de CeO₂ é pequeno e estável. Foi relatado que a adição de La₂O₂ ao revestimento de cermet à base de níquel pulverizado por plasma pode reduzir significativamente o desgaste por atrito e o coeficiente de atrito do revestimento, sendo o coeficiente de atrito estável com pouca flutuação. A superfície de desgaste da camada de revestimento sem terras raras apresenta forte adesão, fratura frágil e lascamento. No entanto, o revestimento contendo terras raras apresenta fraca adesão na superfície desgastada, sem sinais de lascamento frágil em grandes áreas. A microestrutura do revestimento dopado com terras raras é mais densa e compacta, e os poros são reduzidos, o que reduz a força média de atrito suportada por partículas microscópicas e reduz o atrito e o desgaste. A dopagem de terras raras também pode aumentar a distância do plano cristalino dos cermets, o que leva à alteração da força de interação entre as duas faces do cristal e reduz o coeficiente de atrito.

Resumo:

Embora os óxidos de terras raras tenham feito grandes conquistas na aplicação de materiais e revestimentos cerâmicos, os quais podem efetivamente melhorar a microestrutura e as propriedades mecânicas de materiais e revestimentos cerâmicos, ainda existem muitas propriedades desconhecidas, especialmente na redução de atrito e desgaste. Como fazer a resistência e a resistência ao desgaste dos materiais cooperarem com suas propriedades lubrificantes tornou-se uma direção importante e digna de discussão no campo da tribologia.

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