Aplikasi Nadir Bumi dalam Bahan Komposit

PemakaianBumi Nadirdalam Bahan Komposit
Unsur nadir bumi mempunyai struktur elektronik 4f yang unik, momen magnet atom yang besar, gandingan putaran yang kuat dan ciri-ciri lain. Apabila membentuk kompleks dengan unsur lain, nombor koordinasinya boleh berbeza dari 6 hingga 12. Sebatian nadir bumi mempunyai pelbagai struktur kristal. Sifat fizikal dan kimia khas nadir bumi menjadikannya digunakan secara meluas dalam peleburan keluli berkualiti tinggi dan logam bukan ferus, kaca khas dan seramik berprestasi tinggi, bahan magnet kekal, bahan simpanan hidrogen, bahan pendarfluor dan laser, bahan nuklear , dan bidang lain. Dengan pembangunan berterusan bahan komposit, aplikasi nadir bumi juga telah berkembang ke bidang bahan komposit, menarik perhatian meluas dalam meningkatkan sifat antara muka antara bahan heterogen.

Bentuk aplikasi utama nadir bumi dalam penyediaan bahan komposit termasuk: ① menambahlogam nadir bumikepada bahan komposit; ② Tambah dalam bentukoksida nadir bumikepada bahan komposit; ③ Polimer yang didop atau diikat dengan logam nadir bumi dalam polimer digunakan sebagai bahan matriks dalam bahan komposit. Di antara tiga bentuk aplikasi nadir bumi di atas, dua bentuk pertama kebanyakannya ditambah kepada komposit matriks logam, manakala yang ketiga digunakan terutamanya untuk komposit matriks polimer, dan komposit matriks seramik ditambah terutamanya dalam bentuk kedua.

Nadir bumiterutamanya bertindak pada matriks logam dan komposit matriks seramik dalam bentuk bahan tambahan, penstabil, dan bahan tambahan pensinteran, meningkatkan prestasinya dengan ketara, mengurangkan kos pengeluaran, dan menjadikan aplikasi industrinya mungkin.

Penambahan unsur nadir bumi sebagai bahan tambahan dalam bahan komposit terutamanya memainkan peranan dalam meningkatkan prestasi antara muka bahan komposit dan menggalakkan penghalusan butiran matriks logam. Mekanisme tindakan adalah seperti berikut.

① Meningkatkan kebolehbasahan antara matriks logam dan fasa pengukuhan. Keelektronegatifan unsur nadir bumi adalah agak rendah (semakin kecil keelektronegatifan logam, semakin aktif keelektronegatifan bukan logam). Sebagai contoh, La ialah 1.1, Ce ialah 1.12, dan Y ialah 1.22. Keelektronegatifan logam asas biasa Fe ialah 1.83, Ni ialah 1.91, dan Al ialah 1.61. Oleh itu, unsur-unsur nadir bumi secara keutamaan akan menjerap pada sempadan butiran matriks logam dan fasa tetulang semasa proses peleburan, mengurangkan tenaga antara muka mereka, meningkatkan kerja lekatan antara muka, mengurangkan sudut pembasahan, dan dengan itu meningkatkan kebolehbasahan antara matriks. dan fasa pengukuhan. Penyelidikan telah menunjukkan bahawa penambahan unsur La pada matriks aluminium berkesan meningkatkan kebolehbasahan AlO dan cecair aluminium, dan menambah baik struktur mikro bahan komposit.

② Menggalakkan penghalusan butiran matriks logam. Keterlarutan nadir bumi dalam kristal logam adalah kecil, kerana jejari atom unsur nadir bumi adalah besar, dan jejari atom matriks logam agak kecil. Kemasukan unsur nadir bumi dengan jejari yang lebih besar ke dalam kekisi matriks akan menyebabkan herotan kekisi, yang akan meningkatkan tenaga sistem. Untuk mengekalkan tenaga bebas yang paling rendah, atom nadir bumi hanya boleh memperkaya ke arah sempadan butiran yang tidak teratur, yang sedikit sebanyak menghalang pertumbuhan bebas butiran matriks. Pada masa yang sama, unsur nadir bumi yang diperkaya juga akan menjerap unsur aloi lain, meningkatkan kecerunan kepekatan unsur aloi, menyebabkan penyejukan kurang komponen tempatan, dan meningkatkan kesan nukleasi heterogen bagi matriks logam cecair. Di samping itu, penyejukan kurang yang disebabkan oleh pengasingan unsur juga boleh menggalakkan pembentukan sebatian terasing dan menjadi zarah nukleasi heterogen yang berkesan, dengan itu menggalakkan penghalusan butiran matriks logam.

③ Bersihkan sempadan bijian. Disebabkan pertalian yang kuat antara unsur nadir bumi dan unsur seperti O, S, P, N, dsb., tenaga bebas standard pembentukan untuk oksida, sulfida, fosfida dan nitrida adalah rendah. Sebatian ini mempunyai takat lebur yang tinggi dan ketumpatan rendah, sebahagian daripadanya boleh dikeluarkan dengan terapung dari cecair aloi, manakala sebatian lain diagihkan sama rata dalam bijirin, mengurangkan pengasingan kekotoran pada sempadan bijian, dengan itu membersihkan sempadan bijian dan meningkatkan kekuatannya.

Perlu diingatkan bahawa, disebabkan oleh aktiviti tinggi dan takat lebur rendah logam nadir bumi, apabila ia ditambah kepada komposit matriks logam, sentuhannya dengan oksigen perlu dikawal khas semasa proses penambahan.

Sebilangan besar amalan telah membuktikan bahawa menambah oksida nadir bumi sebagai penstabil, alat pensinteran, dan pengubah suai doping kepada matriks logam dan komposit matriks seramik yang berbeza boleh meningkatkan kekuatan dan keliatan bahan, mengurangkan suhu pensinteran, dan dengan itu mengurangkan kos pengeluaran. Mekanisme utama tindakannya adalah seperti berikut.

① Sebagai bahan tambahan pensinteran, ia boleh menggalakkan pensinteran dan mengurangkan keliangan dalam bahan komposit. Penambahan bahan tambah pensinteran adalah untuk menghasilkan fasa cecair pada suhu tinggi, mengurangkan suhu pensinteran bahan komposit, menghalang penguraian suhu tinggi bahan semasa proses pensinteran, dan mendapatkan bahan komposit padat melalui pensinteran fasa cecair. Oleh kerana kestabilan yang tinggi, turun naik suhu tinggi yang lemah, dan takat lebur dan takat didih oksida nadir bumi yang tinggi, ia boleh membentuk fasa kaca dengan bahan mentah lain dan menggalakkan pensinteran, menjadikannya bahan tambahan yang berkesan. Pada masa yang sama, oksida nadir bumi juga boleh membentuk larutan pepejal dengan matriks seramik, yang boleh menghasilkan kecacatan kristal di dalam, mengaktifkan kekisi dan menggalakkan pensinteran.

② Memperbaik struktur mikro dan memperhalusi saiz butiran. Disebabkan fakta bahawa oksida nadir bumi yang ditambahkan terutamanya wujud di sempadan butiran matriks, dan kerana jumlahnya yang besar, oksida nadir bumi mempunyai rintangan migrasi yang tinggi dalam struktur, dan juga menghalang penghijrahan ion lain, dengan itu mengurangkan kadar penghijrahan sempadan bijian, menghalang pertumbuhan bijirin, dan menghalang pertumbuhan bijirin yang tidak normal semasa pensinteran suhu tinggi. Mereka boleh mendapatkan butiran kecil dan seragam, yang kondusif untuk pembentukan struktur padat; Sebaliknya, dengan mendopan oksida nadir bumi, mereka memasuki fasa kaca sempadan butiran, meningkatkan kekuatan fasa kaca dan dengan itu mencapai matlamat untuk meningkatkan sifat mekanikal bahan.

Unsur nadir bumi dalam komposit matriks polimer terutamanya memberi kesan kepada mereka dengan memperbaiki sifat matriks polimer. Oksida nadir bumi boleh meningkatkan suhu penguraian terma polimer, manakala karboksilat nadir bumi boleh meningkatkan kestabilan terma polivinil klorida. Doping polistirena dengan sebatian nadir bumi boleh meningkatkan kestabilan polistirena dan meningkatkan kekuatan hentaman dan kekuatan lenturnya dengan ketara.