استفاده از زمین نادر در مواد کامپوزیت

کاربردزمین نادردر مواد کامپوزیت
عناصر نادر زمین دارای ساختار الکترونیکی 4F منحصر به فرد ، لحظه بزرگ مغناطیسی اتمی ، اتصال چرخش قوی و سایر خصوصیات است. هنگام تشکیل مجتمع ها با عناصر دیگر ، تعداد هماهنگی آنها می تواند از 6 تا 12 متغیر باشد. ترکیبات خاکی نادر دارای انواع ساختارهای کریستالی هستند. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاص از زمین های نادر ، آنها را به طور گسترده ای در ذوب فلزات فولادی با کیفیت بالا و فلزات غیر آهنی ، سرامیک های مخصوص شیشه و با کارایی بالا ، مواد آهنربای دائمی ، مواد ذخیره سازی هیدروژن ، مواد لومینسانس و لیزر ، مواد هسته ای و سایر زمینه ها استفاده می کند. با توسعه مداوم مواد کامپوزیت ، استفاده از زمین های نادر نیز به میدان مواد کامپوزیت گسترش یافته است و توجه گسترده ای را در بهبود خواص رابط بین مواد ناهمگن جلب می کند.

اشکال اصلی کاربرد زمین نادر در تهیه مواد کامپوزیت عبارتند از: ① افزودنفلزات نادر زمینبه مواد کامپوزیت ؛ ② به شکل اضافه کنیداکسیدهای نادر زمینبه مواد کامپوزیت ؛ polymers دوپ شده یا با فلزات خاکی نادر در پلیمرها به عنوان مواد ماتریس در مواد کامپوزیت استفاده می شود. در میان سه شکل فوق از کاربرد زمین نادر ، دو شکل اول بیشتر به کامپوزیت ماتریس فلزی اضافه می شوند ، در حالی که سوم عمدتا برای کامپوزیت های ماتریس پلیمر اعمال می شود ، و کامپوزیت ماتریس سرامیک عمدتاً در فرم دوم اضافه می شود.

زمین نادربه طور عمده بر روی ماتریس فلزی و کامپوزیت ماتریس سرامیکی به صورت مواد افزودنی ، تثبیت کننده و مواد افزودنی پخت و پز ، عملکرد آنها را تا حد زیادی بهبود می بخشد ، هزینه های تولید را کاهش می دهد و کاربرد صنعتی آن را امکان پذیر می کند.

افزودن عناصر خاکی نادر به عنوان مواد افزودنی در مواد کامپوزیت به طور عمده در بهبود عملکرد رابط مواد کامپوزیت و ترویج پالایش دانه های ماتریس فلزی نقش دارد. مکانیسم عمل به شرح زیر است.

① قابلیت مرطوب کننده بین ماتریس فلزی و مرحله تقویت را بهبود بخشید. الکترونگاتیوت عناصر خاکی نادر نسبتاً کم است (هرچه الکترونگاتیو بودن فلزات کوچکتر باشد ، الکترونگاتیوتی بودن غیر متال ها فعال تر است). به عنوان مثال ، LA 1.1 ، CE 1.12 و Y 1.22 است. الکترونگاتیوت فلزی پایه مشترک آهن 1.83 ، نیکل 1.91 و AL 1.61 است. بنابراین ، عناصر نادر زمین به طور ترجیحی در مرزهای دانه ماتریس فلزی و مرحله تقویت در طی فرآیند ذوب ، کاهش انرژی رابط آنها ، افزایش کار چسبندگی رابط ، کاهش زاویه خیس کننده و در نتیجه بهبود قابلیت مرطوب کننده بین ماتریس و فاز تقویت می شوند. تحقیقات نشان داده است که افزودن عنصر LA به ماتریس آلومینیوم به طور موثری قابلیت مرطوب کننده مایع ALO و آلومینیوم را بهبود می بخشد و ریزساختار مواد کامپوزیت را بهبود می بخشد.

② ترویج پالایش دانه های ماتریس فلزی. حلالیت زمین نادر در کریستال فلزی اندک است ، زیرا شعاع اتمی عناصر خاکی نادر بزرگ است و شعاع اتمی ماتریس فلزی نسبتاً کوچک است. ورود عناصر خاکی نادر با شعاع بزرگتر به شبکه ماتریس باعث تحریف شبکه می شود که باعث افزایش انرژی سیستم می شود. برای حفظ کمترین انرژی آزاد ، اتم های خاکی نادر فقط می توانند به سمت مرزهای نامنظم دانه غنی شوند ، که تا حدودی مانع رشد آزاد دانه های ماتریس می شود. در عین حال ، عناصر غنی شده نادر زمین نیز عناصر آلیاژ دیگر را جذب می کنند و شیب غلظت عناصر آلیاژ را افزایش می دهند و باعث ایجاد اجزای محلی می شوند و باعث افزایش اثر هسته ناهمگن ماتریس فلزی مایع می شوند. علاوه بر این ، زیربنایی ناشی از تفکیک عنصری همچنین می تواند تشکیل ترکیبات جدا شده را ترویج کند و به ذرات هسته ناهمگن مؤثر تبدیل شود و از این طریق پالایش دانه های ماتریس فلزی را ترویج می کند.

③ مرزهای دانه را تصفیه کنید. با توجه به میل شدید بین عناصر نادر زمین و عناصر مانند O ، S ، P ، N و غیره ، انرژی آزاد استاندارد تشکیل برای اکسیدها ، سولفیدها ، فسفیدها و نیتریدها کم است. این ترکیبات دارای نقطه ذوب بالا و چگالی کم هستند که برخی از آنها می توانند با شناور از مایع آلیاژ از بین بروند ، در حالی که برخی دیگر به طور مساوی درون دانه توزیع می شوند و تفکیک ناخالصی ها را در مرز دانه کاهش می دهند و از این طریق مرز دانه را تصفیه می کنند و قدرت آن را بهبود می بخشند.

لازم به ذکر است که به دلیل فعالیت زیاد و نقطه ذوب کم فلزات خاکی نادر ، هنگامی که آنها به کامپوزیت ماتریس فلزی اضافه می شوند ، تماس آنها با اکسیژن باید در طی فرایند اضافی کنترل شود.

تعداد زیادی از شیوه ها ثابت کرده اند که افزودن اکسیدهای نادر زمین به عنوان تثبیت کننده ، کمک های پخت و پز و اصلاح کننده های دوپینگ به ماتریس فلزی مختلف و کامپوزیت ماتریس سرامیکی می تواند استحکام و سختی مواد را تا حد زیادی بهبود بخشد ، دمای پخت آنها را کاهش داده و در نتیجه هزینه های تولید را کاهش دهد. مکانیسم اصلی عمل آن به شرح زیر است.

① به عنوان یک افزودنی پخت و پز ، می تواند پخت و پز را ترویج کرده و تخلخل را در مواد کامپوزیت کاهش دهد. علاوه بر این از مواد افزودنی پخت ، تولید یک فاز مایع در دماهای بالا ، کاهش دمای پخت مواد کامپوزیت ، مهار تجزیه دمای بالا مواد در طی فرآیند پخت ، و به دست آوردن مواد کامپوزیت متراکم از طریق پخت و پز فاز مایع است. با توجه به ثبات بالا ، نوسانات ضعیف درجه حرارت بالا و نقاط ذوب و جوش زیاد اکسیدهای خاکی نادر ، آنها می توانند مراحل شیشه ای را با سایر مواد اولیه تشکیل دهند و باعث پخت و پز شوند و آنها را به یک افزودنی مؤثر تبدیل کنند. در عین حال ، اکسید زمین نادر نیز می تواند با ماتریس سرامیکی محلول جامد تشکیل دهد ، که می تواند نقص کریستالی را در داخل ایجاد کند ، شبکه را فعال کرده و پخت و پز را تقویت کند.

② ساختار ساختار را بهبود بخشید و اندازه دانه را اصلاح کنید. با توجه به این واقعیت که اکسیدهای خاکی نادر اضافه شده به طور عمده در مرزهای دانه ماتریس وجود دارد ، و به دلیل حجم زیاد آنها ، اکسیدهای نادر زمین دارای مقاومت مهاجرت بالایی در ساختار هستند و همچنین مانع مهاجرت یون های دیگر می شوند ، از این طریق میزان مهاجرت مرزهای دانه را کاهش می دهد ، مهار رشد دانه را مهار می کند ، و مانع رشد غلات می شود. آنها می توانند دانه های کوچک و یکنواخت را بدست آورند ، که این امر منجر به شکل گیری ساختارهای متراکم می شود. از طرف دیگر ، با دوپینگ اکسیدهای نادر زمین ، آنها وارد فاز شیشه مرزی دانه می شوند و استحکام فاز شیشه را بهبود می بخشند و در نتیجه به هدف بهبود خصوصیات مکانیکی مواد می رسند.

عناصر نادر زمین در کامپوزیت های ماتریس پلیمر عمدتاً با بهبود خواص ماتریس پلیمر بر آنها تأثیر می گذارد. اکسیدهای نادر زمین می توانند دمای تجزیه حرارتی پلیمرها را افزایش دهند ، در حالی که کربوکسیلاتهای نادر زمین می توانند پایداری حرارتی پلی وینیل کلرید را بهبود بخشند. دوپینگ پلی استایرن با ترکیبات خاکی نادر می تواند پایداری پلی استایرن را بهبود بخشد و به طور قابل توجهی قدرت ضربه و قدرت خمش را افزایش دهد.