Anwendung von Seltenen Erden in Verbundwerkstoffen

Anwendung vonSeltene Erdein Verbundwerkstoffen
Seltenerdelemente haben eine einzigartige elektronische 4f-Struktur, ein großes atomares magnetisches Moment, eine starke Spinkopplung und andere Eigenschaften. Bei der Bildung von Komplexen mit anderen Elementen kann ihre Koordinationszahl zwischen 6 und 12 variieren. Seltenerdverbindungen weisen unterschiedliche Kristallstrukturen auf. Aufgrund der besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften seltener Erden werden sie häufig beim Schmelzen von hochwertigem Stahl und Nichteisenmetallen, Spezialglas und Hochleistungskeramik, Permanentmagnetmaterialien, Wasserstoffspeichermaterialien, Leucht- und Lasermaterialien sowie Kernmaterialien eingesetzt und anderen Bereichen. Mit der kontinuierlichen Entwicklung von Verbundwerkstoffen hat sich die Anwendung seltener Erden auch auf den Bereich der Verbundwerkstoffe ausgeweitet und erregt große Aufmerksamkeit bei der Verbesserung der Grenzflächeneigenschaften zwischen heterogenen Materialien.

Zu den Hauptanwendungsformen seltener Erden bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen gehören: ① ZugabeSeltenerdmetallezu Verbundwerkstoffen; ② Fügen Sie die Form hinzuSeltenerdoxidezum Verbundmaterial; ③ Polymere, die mit Seltenerdmetallen in Polymeren dotiert oder gebunden sind, werden als Matrixmaterialien in Verbundwerkstoffen verwendet. Von den oben genannten drei Formen der Anwendung seltener Erden werden die ersten beiden Formen hauptsächlich Metallmatrix-Verbundwerkstoffen zugesetzt, während die dritte hauptsächlich Polymermatrix-Verbundwerkstoffen zugesetzt wird und in der zweiten Form hauptsächlich Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe zugesetzt werden.

Seltene ErdeWirkt hauptsächlich auf Metallmatrix- und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe in Form von Additiven, Stabilisatoren und Sinteradditiven, wodurch deren Leistung erheblich verbessert, die Produktionskosten gesenkt und ihre industrielle Anwendung ermöglicht werden.

Der Zusatz von Seltenerdelementen als Additive in Verbundwerkstoffen spielt hauptsächlich eine Rolle bei der Verbesserung der Grenzflächenleistung von Verbundwerkstoffen und der Förderung der Verfeinerung der Metallmatrixkörner. Der Wirkmechanismus ist wie folgt.

① Verbessern Sie die Benetzbarkeit zwischen der Metallmatrix und der Verstärkungsphase. Die Elektronegativität von Seltenerdelementen ist relativ gering (je kleiner die Elektronegativität von Metallen, desto aktiver ist die Elektronegativität von Nichtmetallen). Beispielsweise beträgt La 1,1, Ce 1,12 und Y 1,22. Die Elektronegativität des unedlen Metalls Fe beträgt 1,83, Ni beträgt 1,91 und Al beträgt 1,61. Daher adsorbieren Seltenerdelemente während des Schmelzprozesses bevorzugt an den Korngrenzen der Metallmatrix und der Verstärkungsphase, wodurch ihre Grenzflächenenergie verringert, die Adhäsionsarbeit der Grenzfläche erhöht, der Benetzungswinkel verringert und dadurch die Benetzbarkeit zwischen der Matrix verbessert wird und Verstärkungsphase. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zugabe des La-Elements zur Aluminiummatrix die Benetzbarkeit von AlO und Aluminiumflüssigkeit effektiv verbessert und die Mikrostruktur von Verbundmaterialien verbessert.

② Fördern Sie die Verfeinerung der Metallmatrixkörner. Die Löslichkeit seltener Erden in Metallkristallen ist gering, da der Atomradius seltener Erdelemente groß und der Atomradius der Metallmatrix relativ klein ist. Der Eintritt von Seltenerdelementen mit größerem Radius in das Matrixgitter führt zu einer Gitterverzerrung, die die Systemenergie erhöht. Um die niedrigste freie Energie aufrechtzuerhalten, können sich Seltenerdatome nur an unregelmäßigen Korngrenzen anreichern, was das freie Wachstum der Matrixkörner in gewissem Maße behindert. Gleichzeitig adsorbieren die angereicherten Seltenerdelemente auch andere Legierungselemente, was den Konzentrationsgradienten der Legierungselemente erhöht, eine lokale Unterkühlung der Komponenten verursacht und den heterogenen Keimbildungseffekt der Flüssigmetallmatrix verstärkt. Darüber hinaus kann die durch die Elementsegregation verursachte Unterkühlung auch die Bildung getrennter 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 standardmäßige freie Bildungsenergie für Oxide, Sulfide, Phosphide und Nitride niedrig. Diese Verbindungen haben einen hohen Schmelzpunkt und eine geringe Dichte, von denen einige durch Aufschwimmen aus der Legierungsflüssigkeit entfernt werden können, während andere gleichmäßig im Korn verteilt sind, wodurch die Absonderung von Verunreinigungen an der Korngrenze verringert und dadurch die Korngrenze gereinigt wird Verbesserung seiner Stärke.

Es ist zu beachten, dass aufgrund der hohen Aktivität und des niedrigen Schmelzpunkts von Seltenerdmetallen bei der Zugabe zu Metallmatrix-Verbundwerkstoffen der Kontakt mit Sauerstoff während des Zugabeprozesses speziell kontrolliert werden muss.

Eine Vielzahl von Verfahren hat gezeigt, dass die Zugabe von Seltenerdoxiden als Stabilisatoren, Sinterhilfsmitteln und Dotierungsmodifikatoren zu verschiedenen Metallmatrix- und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen die Festigkeit und Zähigkeit von Materialien erheblich verbessern, ihre Sintertemperatur senken und somit die Produktionskosten senken kann. Der Hauptmechanismus seiner Wirkung ist wie folgt.

① Als Sinteradditiv kann es das Sintern fördern und die Porosität in Verbundwerkstoffen verringern. Die Zugabe von Sinteradditiven dient dazu, bei hohen Temperaturen eine flüssige Phase zu erzeugen, die Sintertemperatur von Verbundwerkstoffen zu senken, die Hochtemperaturzersetzung von Werkstoffen während des Sinterprozesses zu hemmen und durch Flüssigphasensintern dichte Verbundwerkstoffe zu erhalten. Aufgrund der hohen Stabilität, der geringen Flüchtigkeit bei hohen Temperaturen sowie der hohen Schmelz- und Siedepunkte von Seltenerdoxiden können sie mit anderen Rohstoffen Glasphasen bilden und das Sintern fördern, was sie zu einem wirksamen Zusatzstoff macht. Gleichzeitig kann das Seltenerdoxid auch mit der Keramikmatrix eine feste Lösung bilden, die im Inneren Kristalldefekte erzeugen, das Gitter aktivieren und das Sintern fördern kann.

② Verbessern Sie die Mikrostruktur und verfeinern Sie die Korngröße. Aufgrund der Tatsache, dass die zugesetzten Seltenerdoxide hauptsächlich an den Korngrenzen der Matrix vorliegen und aufgrund ihres großen Volumens Seltenerdoxide einen hohen Migrationswiderstand in der Struktur aufweisen und auch die Migration anderer Ionen behindern, wodurch die Migrationsgeschwindigkeit der Korngrenzen, Hemmung des Kornwachstums und Verhinderung des abnormalen Kornwachstums beim Hochtemperatursintern. Sie können kleine und gleichmäßige Körner erhalten, was die Bildung dichter Strukturen begünstigt; Andererseits gelangen sie durch die Dotierung mit Seltenerdoxiden in die Korngrenzenglasphase, verbessern die Festigkeit der Glasphase und erreichen so das Ziel, die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern.

Seltenerdelemente in Polymermatrix-Verbundwerkstoffen wirken sich hauptsächlich dadurch aus, dass sie die Eigenschaften der Polymermatrix verbessern. 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.