Welchen Einfluss haben Seltenerdoxide in keramischen Beschichtungen?

Keramik, Metall und Polymer zählen zu den drei wichtigsten Feststoffen. Keramik weist viele hervorragende Eigenschaften auf, wie z. B. hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Der Grund hierfür liegt in der hohen Bindungsenergie der Atome von Keramik: Ionenbindungen, kovalente Bindungen oder gemischte Ionen-kovalente Bindungen. Eine Keramikbeschichtung kann Aussehen, Struktur und Eigenschaften der Oberfläche eines Substrats verändern. Aufgrund ihrer neuen Eigenschaften wird ein Beschichtungs-Substrat-Verbundwerkstoff bevorzugt. Er vereint die ursprünglichen Eigenschaften des Substrats mit der hohen Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Keramik und nutzt die Vorteile beider Materialien optimal. Daher findet er breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung, der chemischen Industrie und anderen Branchen.

Seltene Erden gelten aufgrund ihrer einzigartigen 4f-Elektronenstruktur sowie ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften als „Schatzkammer“ neuer Materialien. Reine Seltenerdmetalle werden jedoch selten direkt in der Forschung eingesetzt, meist kommen Seltenerdverbindungen zum Einsatz. Die gängigsten Verbindungen sind CeO₂, La₂O₃, Y₂O₃, LaF₃, CeF, CeS und Seltenerd-Ferrosilizium. Diese Seltenerdverbindungen können die Struktur und Eigenschaften von Keramikwerkstoffen und Keramikbeschichtungen verbessern.

I Anwendung von Seltenerdoxiden in keramischen Werkstoffen

Die Zugabe von Seltenerdmetallen als Stabilisatoren und Sinterhilfen zu verschiedenen Keramiken kann die Sintertemperatur senken, die Festigkeit und Zähigkeit einiger Strukturkeramiken verbessern und somit die Produktionskosten senken. Gleichzeitig spielen Seltenerdmetalle auch eine sehr wichtige Rolle in Halbleiter-Gassensoren, Mikrowellenmedien, piezoelektrischer Keramik und anderen Funktionskeramiken. Untersuchungen haben ergeben, dass die gleichzeitige Zugabe von zwei oder mehr Seltenerdoxiden zu Aluminiumoxidkeramiken besser ist als die Zugabe eines einzelnen Seltenerdoxids zu Aluminiumoxidkeramiken. Nach Optimierungstests zeigte Y2O3+CeO2 die beste Wirkung. Bei Zugabe von 0,2 % Y2O3 + 0,2 % CeO2 bei 1490 °C kann die relative Dichte der gesinterten Proben 96,2 % erreichen, was die Dichte von Proben mit einem beliebigen Seltenerdoxid Y2O3 oder CeO2 allein übersteigt.

Die Wirkung von La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 auf die Sinterung ist besser als die alleinige Zugabe von La2O3, und die Verschleißfestigkeit wird deutlich verbessert. Es zeigt auch, dass das Mischen zweier Seltenerdoxide keine einfache Zugabe ist, sondern eine Wechselwirkung zwischen ihnen besteht, die das Sintern und die Leistungssteigerung von Aluminiumoxidkeramiken begünstigt. Das Prinzip muss jedoch noch untersucht werden.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Zugabe gemischter Seltenerdmetalloxide als Sinterhilfsmittel die Materialmigration verbessern, das Sintern von MgO-Keramiken fördern und die Dichte verbessern kann. Wenn der Gehalt an gemischten Metalloxiden jedoch mehr als 15 % beträgt, nimmt die relative Dichte ab und die offene Porosität nimmt zu.

Zweitens der Einfluss von Seltenerdoxiden auf die Eigenschaften von Keramikbeschichtungen

Bestehende Forschungsergebnisse zeigen, dass Seltenerdelemente die Korngröße verfeinern, die Dichte erhöhen, die Mikrostruktur verbessern und die Grenzfläche reinigen können. Sie spielen eine einzigartige Rolle bei der Verbesserung der Festigkeit, Zähigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Keramikbeschichtungen, was die Leistung von Keramikbeschichtungen in gewissem Maße verbessert und den Anwendungsbereich von Keramikbeschichtungen erweitert.

1

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften keramischer Beschichtungen durch Seltenerdoxide

Seltenerdoxide können die Härte, Biegefestigkeit und Zugfestigkeit von Keramikbeschichtungen deutlich verbessern. Versuchsergebnisse zeigen, dass die Zugfestigkeit der Beschichtung durch die Verwendung von Lao_2 als Additiv in Al2O3 + 3 % TiO_2-Material effektiv verbessert werden kann. Bei einem Lao_2-Anteil von 6,0 % kann die Zugfestigkeit 27,36 MPa erreichen. Durch Zugabe von CeO2 mit Massenanteilen von 3,0 % und 6,0 ​​% zu Cr2O3-Material liegt die Zugfestigkeit der Beschichtung zwischen 18 und 25 MPa und ist damit höher als die ursprünglichen 12 bis 16 MPa. Bei einem CeO2-Anteil von 9,0 % sinkt die Zugfestigkeit jedoch auf 12 bis 15 MPa.

2

Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit von Keramikbeschichtungen durch Seltene Erden

Der Thermoschockbeständigkeitstest ist ein wichtiger Test, um die Bindungsstärke zwischen Beschichtung und Substrat sowie die Übereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Beschichtung und Substrat qualitativ zu beurteilen. Er spiegelt direkt die Widerstandsfähigkeit der Beschichtung gegenüber Abblättern bei wechselnden Temperaturschwankungen während des Gebrauchs wider und spiegelt auch die Widerstandsfähigkeit der Beschichtung gegenüber mechanischer Ermüdung und die Fähigkeit zur seitlichen Bindung mit dem Substrat wider. Daher ist er auch der Schlüsselfaktor zur Beurteilung der Qualität einer Keramikbeschichtung.

Untersuchungen zeigen, dass die Zugabe von 3,0 % CeO2 die Porosität und Porengröße der Beschichtung sowie die Spannungskonzentration an den Porenrändern reduzieren und so die Thermoschockbeständigkeit der Cr2O3-Beschichtung verbessern kann. Die Porosität der Al2O3-Keramikbeschichtung verringerte sich jedoch, und die Bindungsstärke sowie die Thermoschockbeständigkeit der Beschichtung erhöhten sich deutlich nach der Zugabe von LaO2. Bei einem LaO2-Zusatz von 6 % (Massenanteil) ist die Thermoschockbeständigkeit der Beschichtung am besten. Die Thermoschockbeständigkeit kann das 218-Fache erreichen, während die Thermoschockbeständigkeit der Beschichtung ohne LaO2 nur das 163-Fache beträgt.

3

Seltenerdoxide beeinflussen die Verschleißfestigkeit von Beschichtungen

Die zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Keramikbeschichtungen verwendeten Seltenerdoxide sind meist CeO2 und La2O3. Ihre hexagonale Schichtstruktur weist eine gute Schmierfunktion auf und behält bei hohen Temperaturen stabile chemische Eigenschaften bei, was die Verschleißfestigkeit effektiv verbessern und den Reibungskoeffizienten senken kann.

Untersuchungen haben ergeben, dass der Reibungskoeffizient einer Beschichtung mit der richtigen Menge CeO2 gering und stabil ist. Berichten zufolge kann die Zugabe von La2O3 zu einer plasmagespritzten Cermet-Beschichtung auf Nickelbasis den Reibungsverschleiß und den Reibungskoeffizienten der Beschichtung deutlich verringern, und der Reibungskoeffizient ist stabil und schwankt nur geringfügig. Die Verschleißfläche einer Beschichtung ohne Seltene Erden weist starke Haftung sowie Sprödbruch und Abplatzungen auf. Die Beschichtung mit Seltenen Erden weist jedoch eine schwache Haftung auf der Verschleißfläche auf und zeigt keine Anzeichen von großflächiger Sprödbruchbildung. Die Mikrostruktur einer mit Seltenen Erden dotierten Beschichtung ist dichter und kompakter, und die Poren sind reduziert, wodurch die durchschnittliche Reibungskraft der mikroskopischen Partikel verringert und so Reibung und Verschleiß reduziert werden. Durch die Dotierung mit Seltenen Erden kann auch der Kristallebenenabstand von Cermets vergrößert werden. Dies führt zu einer Änderung der Wechselwirkungskraft zwischen den beiden Kristallflächen und verringert den Reibungskoeffizienten.

Zusammenfassung:

Obwohl Seltenerdoxide bei der Anwendung von keramischen Materialien und Beschichtungen große Erfolge erzielt haben und die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von keramischen Materialien und Beschichtungen wirksam verbessern können, sind noch viele Eigenschaften unbekannt, insbesondere bei der Reduzierung von Reibung und Verschleiß. Wie man die Festigkeit und Verschleißfestigkeit von Materialien mit ihren Schmiereigenschaften in Einklang bringt, ist zu einer wichtigen, diskussionswürdigen Richtung auf dem Gebiet der Tribologie geworden.

Tel: +86-21-20970332E-Mail:info@shxlchem.com