УжываннеРэдкая зямляу кампазітных матэрыялах
Рэдказямельныя элементы маюць унікальную электронную структуру 4f, вялікі атамны магнітны момант, моцную спін-сувязь і іншыя характарыстыкі. Пры ўтварэнні комплексаў з іншымі элементамі іх каардынацыйны лік можа вагацца ад 6 да 12. Рэдказямельныя злучэнні маюць разнастайныя крышталічныя структуры. Асаблівыя фізічныя і хімічныя ўласцівасці рэдказямельных элементаў робяць іх шырока выкарыстоўванымі пры выплаўцы высакаякаснай сталі і каляровых металаў, спецыяльнага шкла і высокапрадукцыйнай керамікі, матэрыялаў для пастаянных магнітаў, матэрыялаў для захоўвання вадароду, люмінесцэнтных і лазерных матэрыялаў, ядзерных матэрыялаў і іншых галінах. З пастаянным развіццём кампазітных матэрыялаў прымяненне рэдказямельных элементаў пашырылася і на сферу кампазітных матэрыялаў, прыцягваючы шырокую ўвагу да паляпшэння ўласцівасцей міжфазных кантактаў паміж гетэрагеннымі матэрыяламі.
Асноўныя формы прымянення рэдказямельных элементаў пры падрыхтоўцы кампазітных матэрыялаў ўключаюць: ① даданнерэдказямельныя металыда кампазітных матэрыялаў; ② Дадаць у выглядзеаксіды рэдказямельных элементаўда кампазітнага матэрыялу; ③ Палімеры, легаваныя або звязаныя з рэдказямельнымі металамі ў палімерах, выкарыстоўваюцца ў якасці матрычных матэрыялаў у кампазітных матэрыялах. Сярод трох вышэйзгаданых формаў прымянення рэдказямельных элементаў першыя дзве формы ў асноўным дадаюцца ў металічную матрычную кампазіцыю, трэцяя - у асноўным у палімерную матрычную кампазіцыю, а керамічная матрычная кампазіцыя - у другой форме.
Рэдказямельныяу асноўным уздзейнічае на металічныя матрыцы і керамічныя матрычныя кампазіты ў выглядзе дабавак, стабілізатараў і спякальных дабавак, значна паляпшаючы іх характарыстыкі, зніжаючы вытворчыя выдаткі і робячы магчымым іх прамысловае прымяненне.
Даданне рэдказямельных элементаў у якасці дабавак у кампазітныя матэрыялы ў асноўным адыгрывае ролю ў паляпшэнні характарыстык міжфазнай паверхні кампазітных матэрыялаў і спрыяе ўдасканаленню зерняў металічнай матрыцы. Механізм дзеяння наступны.
① Паляпшэнне змочвальнасці паміж металічнай матрыцай і армуючай фазай. Электраадмоўнасць рэдказямельных элементаў адносна нізкая (чым меншая электраадмоўнасць металаў, тым больш актыўная электраадмоўнасць неметалаў). Напрыклад, La складае 1,1, Ce — 1,12, а Y — 1,22. Электраадмоўнасць звычайнага базавага металу Fe складае 1,83, Ni — 1,91, а Al — 1,61. Такім чынам, рэдказямельныя элементы будуць пераважна адсарбоўвацца на межах зерняў металічнай матрыцы і армуючай фазы падчас працэсу плаўлення, зніжаючы энергію іх павярхоўнай мяжы, павялічваючы працу адгезіі на мяжы мяжы, памяншаючы кут змочвання і тым самым паляпшаючы змочвальнасць паміж матрыцай і армуючай фазай. Даследаванні паказалі, што даданне элемента La да алюмініевай матрыцы эфектыўна паляпшае змочвальнасць Al₂O₃ і вадкага алюмінію, а таксама паляпшае мікраструктуру кампазітных матэрыялаў.
② Спрыяе ўдасканаленню зерняў металічнай матрыцы. Растваральнасць рэдказямельных элементаў у крышталі металу невялікая, таму што атамны радыус рэдказямельных элементаў вялікі, а атамны радыус металічнай матрыцы адносна малы. Уваходжанне рэдказямельных элементаў з большым радыусам у матрычную рашотку прывядзе да скажэння рашоткі, што павялічыць энергію сістэмы. Каб падтрымліваць найменшую свабодную энергію, атамы рэдказямельных элементаў могуць узбагачацца толькі ў напрамку няправільных межаў зерняў, што ў пэўнай ступені перашкаджае свабоднаму росту зерняў матрыцы. У той жа час узбагачаныя рэдказямельныя элементы таксама будуць адсарбаваць іншыя элементы сплаву, павялічваючы градыент канцэнтрацыі элементаў сплаву, выклікаючы лакальнае пераахаладжэнне кампанентаў і ўзмацняючы эфект гетэрагеннага зародкаўтварэння вадкай металічнай матрыцы. Акрамя таго, пераахаладжэнне, выкліканае элементарнай сегрэгацыяй, таксама можа спрыяць утварэнню сегрэгаваных злучэнняў і стаць эфектыўнымі гетэрагеннымі часціцамі зародкаўтварэння, тым самым спрыяючы ўдасканаленню зерняў металічнай матрыцы.
③ Ачыстка межаў зерняў. З-за моцнай сувязі паміж рэдказямельнымі элементамі і такімі элементамі, як O, S, P, N і г.д., стандартная свабодная энергія ўтварэння аксідаў, сульфідаў, фасфідаў і нітрыдаў нізкая. Гэтыя злучэнні маюць высокую тэмпературу плаўлення і нізкую шчыльнасць, некаторыя з якіх могуць быць выдалены шляхам усплывання з вадкасці сплаву, а іншыя раўнамерна размеркаваны ўнутры зерня, памяншаючы сегрэгацыю прымешак на мяжы зерняў, тым самым ачышчаючы мяжу зерняў і паляпшаючы яе трываласць.
Варта адзначыць, што з-за высокай актыўнасці і нізкай тэмпературы плаўлення рэдказямельных металаў пры іх даданні ў металічную матрыцу неабходна спецыяльна кантраляваць іх кантакт з кіслародам падчас працэсу дадання.
Шматлікія практычныя даследаванні паказалі, што даданне аксідаў рэдказямельных элементаў у якасці стабілізатараў, дапаможных рэчываў для спякання і мадыфікатараў легіравання да розных металічных і керамічных кампазітаў можа значна палепшыць трываласць і ўдарную глейкасць матэрыялаў, знізіць тэмпературу іх спякання і, такім чынам, знізіць вытворчыя выдаткі. Асноўны механізм яго дзеяння наступны.
① Як дабаўка для спякання, яна можа спрыяць спяканню і памяншаць сітаватасць кампазітных матэрыялаў. Даданне дабавак для спякання дазваляе стварыць вадкую фазу пры высокіх тэмпературах, знізіць тэмпературу спякання кампазітных матэрыялаў, перашкаджаць раскладанню матэрыялаў пры высокай тэмпературы падчас працэсу спякання і атрымаць шчыльныя кампазітныя матэрыялы шляхам спякання ў вадкай фазе. Дзякуючы высокай стабільнасці, нізкай лятучасці пры высокай тэмпературы і высокім тэмпературам плаўлення і кіпення аксідаў рэдказямельных элементаў, яны могуць утвараць шкляныя фазы з іншымі сыравіннымі матэрыяламі і спрыяць спяканню, што робіць іх эфектыўнай дадаткам. У той жа час аксід рэдказямельных элементаў таксама можа ўтвараць цвёрды раствор з керамічнай матрыцай, што можа выклікаць крышталічныя дэфекты ўнутры, актываваць рашотку і спрыяць спяканню.
② Паляпшэнне мікраструктуры і ўдакладненне памеру зерня. З-за таго, што дададзеныя аксіды рэдказямельных элементаў у асноўным знаходзяцца на межах зерня матрыцы і маюць вялікі аб'ём, яны маюць высокі супраціў міграцыі ў структуры, а таксама перашкаджаюць міграцыі іншых іёнаў, тым самым зніжаючы хуткасць міграцыі межаў зерня, перашкаджаючы росту зерня і перашкаджаючы анамальнаму росту зерня падчас высокатэмпературнага спякання. Яны дазваляюць атрымліваць дробныя і аднастайныя зерні, што спрыяе ўтварэнню шчыльных структур; З іншага боку, легіраванне аксідамі рэдказямельных элементаў дазваляе ім пераходзіць у шкляную фазу межаў зерня, паляпшаючы трываласць шкляной фазы і тым самым дасягаючы мэты паляпшэння механічных уласцівасцей матэрыялу.
Рэдказямельныя элементы ў палімерных матрычных кампазітах у асноўным уплываюць на іх, паляпшаючы ўласцівасці палімернай матрыцы. Аксіды рэдказямельных элементаў могуць павышаць тэмпературу тэрмічнага раскладання палімераў, у той час як карбаксілаты рэдказямельных элементаў могуць палепшыць тэрмічную стабільнасць полівінілхларыду. Легаванне полістыролу рэдказямельнымі злучэннямі можа палепшыць стабільнасць полістыролу і значна павялічыць яго ўдарную глейкасць і трываласць на выгіб.
Час публікацыі: 26 красавіка 2023 г.