Anwendung vonSeltene Erdenin Verbundwerkstoffen
Seltene Erden besitzen eine einzigartige 4f-Elektronenstruktur, ein hohes atomares magnetisches Moment, eine starke Spinkopplung und weitere Eigenschaften. Bei der Bildung von Komplexen mit anderen Elementen kann ihre Koordinationszahl zwischen 6 und 12 variieren. Seltene Erdenverbindungen weisen eine Vielzahl von Kristallstrukturen auf. Aufgrund ihrer besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften finden Seltene Erden breite Anwendung in der Schmelze von hochwertigem Stahl und Nichteisenmetallen, Spezialglas und Hochleistungskeramik, Permanentmagnetmaterialien, Wasserstoffspeichermaterialien, Leucht- und Lasermaterialien, Nuklearmaterialien und weiteren Bereichen. Mit der kontinuierlichen Entwicklung von Verbundwerkstoffen hat sich die Anwendung von Seltenen Erden auch auf den Bereich der Verbundwerkstoffe ausgeweitet und findet zunehmende Beachtung bei der Verbesserung der Grenzflächeneigenschaften zwischen heterogenen Materialien.
Die wichtigsten Anwendungsformen von Seltenen Erden bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen sind: ① HinzufügenSeltenerdmetallezu Verbundwerkstoffen; ② Hinzufügen in Form vonSeltenerdoxidezum Verbundwerkstoff; 3 Mit Seltenerdmetallen dotierte oder gebundene Polymere werden als Matrixmaterialien in Verbundwerkstoffen verwendet. Von den oben genannten drei Anwendungsformen für Seltene Erden werden die ersten beiden Formen hauptsächlich Metallmatrix-Verbundwerkstoffen zugesetzt, während die dritte hauptsächlich Polymermatrix-Verbundwerkstoffen und die Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe hauptsächlich der zweiten Form zugesetzt werden.
Seltene Erdenwirkt hauptsächlich in Form von Additiven, Stabilisatoren und Sinteradditiven auf Metallmatrix- und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, wodurch deren Leistung erheblich verbessert, die Produktionskosten gesenkt und ihre industrielle Anwendung ermöglicht wird.
Die Zugabe von Seltenerdelementen als Additive in Verbundwerkstoffen trägt hauptsächlich dazu bei, die Grenzflächeneigenschaften von Verbundwerkstoffen zu verbessern und die Verfeinerung der Metallmatrixkörner zu fördern. Der Wirkungsmechanismus ist wie folgt.
① Verbesserung der Benetzbarkeit zwischen Metallmatrix und Verstärkungsphase. Seltenerdelemente haben eine relativ geringe Elektronegativität (je geringer die Elektronegativität von Metallen, desto höher die Elektronegativität von Nichtmetallen). Beispielsweise beträgt die Elektronegativität von La 1,1, von Ce 1,12 und von Y 1,22. Die Elektronegativität der unedlen Metalle Fe beträgt 1,83, von Ni 1,91 und von Al 1,61. Daher adsorbieren Seltenerdelemente während des Schmelzprozesses bevorzugt an den Korngrenzen der Metallmatrix und der Verstärkungsphase. Dadurch verringert sich ihre Grenzflächenenergie, die Adhäsionsarbeit an der Grenzfläche erhöht sich, der Benetzungswinkel verringert sich und die Benetzbarkeit zwischen Matrix und Verstärkungsphase wird verbessert. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zugabe von La zur Aluminiummatrix die Benetzbarkeit von AlO und Aluminiumflüssigkeit effektiv verbessert und die Mikrostruktur von Verbundwerkstoffen verbessert.
2. Fördert die Verfeinerung der Metallmatrixkörner. Die Löslichkeit von Seltenen Erden in Metallkristallen ist gering, da der Atomradius von Seltenen Erden groß und der Atomradius der Metallmatrix relativ klein ist. Eindringen von Seltenen Erden mit größerem Radius in das Matrixgitter verursacht Gitterverzerrungen, die die Systemenergie erhöhen. Um die freie Energie niedrig zu halten, können sich Seltenerdatome nur in Richtung unregelmäßiger Korngrenzen anreichern, was das freie Wachstum der Matrixkörner teilweise behindert. Gleichzeitig adsorbieren die angereicherten Seltenen Erden auch andere Legierungselemente, wodurch der Konzentrationsgradient der Legierungselemente steigt, eine lokale Unterkühlung der Komponenten verursacht und der heterogene Keimbildungseffekt der Flüssigmetallmatrix verstärkt wird. Darüber hinaus kann die durch die Elemententmischung verursachte Unterkühlung auch die Bildung von entmischten Verbindungen fördern und zu wirksamen heterogenen Keimbildungspartikeln werden, wodurch die Verfeinerung der Metallmatrixkörner gefördert wird.
3. Korngrenzen reinigen. Aufgrund der starken Affinität zwischen Seltenerdelementen und Elementen wie O, S, P, N usw. ist die Standard-Freie-Enthalpie der Bildung von Oxiden, Sulfiden, Phosphiden und Nitriden gering. Diese Verbindungen haben einen hohen Schmelzpunkt und eine geringe Dichte. Einige davon können durch Aufschwimmen aus der Legierungsflüssigkeit entfernt werden, während andere gleichmäßig im Korn verteilt sind. Dadurch wird die Ablagerung von Verunreinigungen an der Korngrenze reduziert, wodurch die Korngrenze gereinigt und ihre Festigkeit verbessert wird.
Es ist zu beachten, dass aufgrund der hohen Aktivität und des niedrigen Schmelzpunkts von Seltenerdmetallen der Kontakt mit Sauerstoff während des Zugabeprozesses speziell kontrolliert werden muss, wenn sie einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff hinzugefügt werden.
Zahlreiche Verfahren haben bewiesen, dass die Zugabe von Seltenerdoxiden als Stabilisatoren, Sinterhilfsmittel und Dotierungsmodifikatoren zu verschiedenen Metall- und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen die Festigkeit und Zähigkeit von Werkstoffen deutlich verbessern, ihre Sintertemperatur senken und somit die Produktionskosten senken kann. Der Hauptwirkungsmechanismus ist wie folgt.
① Als Sinteradditiv kann es das Sintern fördern und die Porosität von Verbundwerkstoffen reduzieren. Die Zugabe von Sinteradditiven dient dazu, bei hohen Temperaturen eine flüssige Phase zu erzeugen, die Sintertemperatur von Verbundwerkstoffen zu senken, die Hochtemperaturzersetzung von Materialien während des Sinterprozesses zu hemmen und durch Flüssigphasensintern dichte Verbundwerkstoffe zu erhalten. Aufgrund ihrer hohen Stabilität, geringen Flüchtigkeit bei hohen Temperaturen sowie ihrer hohen Schmelz- und Siedepunkte können Seltenerdoxide mit anderen Rohstoffen Glasphasen bilden und das Sintern fördern, was sie zu einem effektiven Additiv macht. Gleichzeitig können Seltenerdoxide mit der Keramikmatrix auch feste Lösungen bilden, die im Inneren Kristalldefekte erzeugen, das Gitter aktivieren und das Sintern fördern können.
2. Verbesserung der Mikrostruktur und Verfeinerung der Korngröße. Da die zugesetzten Seltenerdoxide hauptsächlich an den Korngrenzen der Matrix vorkommen und aufgrund ihres großen Volumens einen hohen Migrationswiderstand in der Struktur aufweisen, behindern sie auch die Migration anderer Ionen. Dadurch wird die Migrationsrate der Korngrenzen verringert, das Kornwachstum gehemmt und das abnormale Kornwachstum beim Hochtemperatursintern verhindert. Sie ermöglichen kleine und gleichmäßige Körner, was die Bildung dichter Strukturen fördert. Durch die Dotierung mit Seltenerdoxiden gelangen sie in die Korngrenzenglasphase, wodurch die Festigkeit der Glasphase verbessert und somit die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessert werden.
Seltene Erden in Polymermatrix-Verbundwerkstoffen wirken sich hauptsächlich auf deren Eigenschaften aus. Seltenerdoxide können die thermische Zersetzungstemperatur von Polymeren erhöhen, während Seltenerdcarboxylate die thermische Stabilität von Polyvinylchlorid verbessern können. Die Dotierung von Polystyrol mit Seltenerdverbindungen kann die Stabilität von Polystyrol verbessern und seine Schlagzähigkeit und Biegefestigkeit deutlich erhöhen.
Veröffentlichungszeit: 26. April 2023