کاربرد خاک کمیاب در مواد کامپوزیتی

کاربردزمین کمیابدر مواد کامپوزیت
عناصر خاکی کمیاب دارای ساختار الکترونیکی منحصر به فرد 4f، گشتاور مغناطیسی اتمی بزرگ، کوپلینگ اسپین قوی و سایر ویژگی ها هستند. هنگام تشکیل کمپلکس با عناصر دیگر، تعداد هماهنگی آنها می تواند از 6 تا 12 متغیر باشد. ترکیبات خاکی کمیاب دارای ساختارهای کریستالی متنوعی هستند. خواص فیزیکی و شیمیایی خاص خاک های کمیاب باعث شده است که آنها به طور گسترده در ذوب فولاد با کیفیت بالا و فلزات غیر آهنی، شیشه های خاص و سرامیک های با کارایی بالا، مواد مغناطیس دائم، مواد ذخیره سازی هیدروژن، مواد شب تاب و لیزر، مواد هسته ای استفاده شوند. ، و زمینه های دیگر. با توسعه مداوم مواد کامپوزیتی، کاربرد خاک‌های کمیاب در زمینه مواد کامپوزیتی نیز گسترش یافته است و توجه گسترده‌ای را در بهبود خواص رابط بین مواد ناهمگن به خود جلب کرده است.

اشکال اصلی کاربرد خاک کمیاب در تهیه مواد کامپوزیتی عبارتند از: ① افزودنفلزات خاکی کمیاببه مواد کامپوزیت؛ ② به شکل اضافه کنیداکسیدهای خاکی کمیاببه مواد کامپوزیت؛ ③ پلیمرهای دوپ شده یا پیوند شده با فلزات خاکی کمیاب در پلیمرها به عنوان مواد ماتریس در مواد کامپوزیتی استفاده می شوند. در بین سه شکل فوق کاربرد خاکی کمیاب، دو شکل اول بیشتر به کامپوزیت زمینه فلزی اضافه می شود، در حالی که سومی عمدتاً به کامپوزیت های زمینه پلیمری اعمال می شود و کامپوزیت زمینه سرامیکی عمدتاً در شکل دوم اضافه می شود.

زمین کمیابعمدتا بر روی ماتریس فلزی و کامپوزیت زمینه سرامیکی به شکل افزودنی ها، تثبیت کننده ها و مواد افزودنی تف جوشی عمل می کند و عملکرد آنها را تا حد زیادی بهبود می بخشد، هزینه های تولید را کاهش می دهد و کاربرد صنعتی آن را ممکن می سازد.

افزودن عناصر خاکی کمیاب به عنوان مواد افزودنی در مواد کامپوزیتی عمدتاً در بهبود عملکرد رابط مواد کامپوزیتی و ارتقای پالایش دانه‌های زمینه فلزی نقش دارد. مکانیسم عمل به شرح زیر است.

① ترشوندگی بین ماتریس فلزی و فاز تقویت کننده را بهبود بخشید. الکترونگاتیوی عناصر کمیاب خاکی نسبتاً کم است (هرچه الکترونگاتیوی فلزات کوچکتر باشد، الکترونگاتیوی غیرفلزها فعال تر است). به عنوان مثال، La 1.1، Ce 1.12، و Y 1.22 است. الکترونگاتیوی فلز پایه معمولی Fe 1.83، Ni 1.91 و Al 1.61 است. بنابراین، عناصر خاکی کمیاب ترجیحاً در طول فرآیند ذوب، روی مرزهای دانه‌های زمینه فلزی و فاز تقویت‌کننده جذب می‌شوند، انرژی مشترک خود را کاهش می‌دهند، کار چسبندگی سطح مشترک را افزایش می‌دهند، زاویه خیس شدن را کاهش می‌دهند و در نتیجه ترشوندگی بین ماتریس را بهبود می‌بخشند. و مرحله تقویت تحقیقات نشان داده است که افزودن عنصر La به ماتریس آلومینیوم به طور موثری ترشوندگی AlO و مایع آلومینیوم را بهبود می بخشد و ریزساختار مواد کامپوزیتی را بهبود می بخشد.

② بهبود پالایش دانه های زمینه فلزی. حلالیت خاک کمیاب در کریستال فلزی کم است، زیرا شعاع اتمی عناصر خاکی کمیاب بزرگ است و شعاع اتمی ماتریس فلزی نسبتاً کوچک است. ورود عناصر خاکی کمیاب با شعاع بزرگتر به شبکه ماتریس باعث اعوجاج شبکه می شود که انرژی سیستم را افزایش می دهد. برای حفظ کمترین انرژی آزاد، اتم‌های خاکی کمیاب فقط می‌توانند به سمت مرزهای نامنظم دانه غنی شوند، که تا حدی مانع رشد آزاد دانه‌های زمینه می‌شود. در همان زمان، عناصر خاکی کمیاب غنی‌شده، سایر عناصر آلیاژی را نیز جذب می‌کنند، شیب غلظت عناصر آلیاژی را افزایش می‌دهند، باعث سرد شدن اجزای محلی می‌شوند و اثر هسته‌زایی ناهمگن ماتریس فلز مایع را افزایش می‌دهند. علاوه بر این، سرد شدن کم ناشی از جداسازی عنصری نیز می‌تواند باعث تشکیل ترکیبات جدا شده و تبدیل شدن به ذرات هسته‌زایی ناهمگن مؤثر شود، در نتیجه باعث بهبود پالایش دانه‌های زمینه فلزی می‌شود.

③ مرزهای دانه را پاکسازی کنید. به دلیل قرابت قوی بین عناصر کمیاب خاکی و عناصری 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، برخی از آنها را می توان با شناور شدن از مایع آلیاژ حذف کرد، در حالی که برخی دیگر به طور مساوی در داخل دانه توزیع می شوند، جداسازی ناخالصی ها در مرز دانه را کاهش می دهند و در نتیجه مرز دانه را خالص می کنند و بهبود قدرت آن

لازم به ذکر است که به دلیل فعالیت زیاد و نقطه ذوب پایین فلزات خاکی کمیاب، هنگام افزودن آنها به کامپوزیت زمینه فلزی، تماس آنها با اکسیژن نیاز به کنترل ویژه در فرآیند افزودن دارد.

تعداد زیادی از روش‌ها ثابت کرده‌اند که افزودن اکسیدهای خاکی کمیاب به عنوان تثبیت‌کننده، کمک تف جوشی، و اصلاح‌کننده دوپینگ به ماتریس فلزی و کامپوزیت زمینه سرامیکی مختلف می‌تواند استحکام و چقرمگی مواد را تا حد زیادی بهبود بخشد، دمای پخت آنها را کاهش دهد و در نتیجه هزینه‌های تولید را کاهش دهد. مکانیسم اصلی عمل آن به شرح زیر است.

① به عنوان یک افزودنی تف جوشی، می تواند باعث افزایش پخت و کاهش تخلخل در مواد کامپوزیت شود. افزودن مواد افزودنی تف جوشی برای تولید فاز مایع در دماهای بالا، کاهش دمای تف جوشی مواد کامپوزیت، جلوگیری از تجزیه در دمای بالا مواد در طول فرآیند پخت و به دست آوردن مواد کامپوزیتی متراکم از طریق تف جوشی فاز مایع است. به دلیل پایداری بالا، فرار ضعیف در دمای بالا، و نقطه ذوب و جوش زیاد اکسیدهای خاکی کمیاب، می توانند فازهای شیشه ای را با سایر مواد خام تشکیل دهند و پخت را تقویت کنند و آنها را به یک افزودنی موثر تبدیل کنند. در عین حال، اکسید خاکی کمیاب همچنین می‌تواند محلول جامد را با ماتریس سرامیکی تشکیل دهد که می‌تواند نقص‌های کریستالی را در داخل ایجاد کند، شبکه را فعال کرده و پخت را تقویت کند.

② بهبود ریزساختار و اصلاح اندازه دانه. با توجه به اینکه اکسیدهای خاکی کمیاب اضافه شده عمدتاً در مرزهای ماتریس وجود دارند و به دلیل حجم زیاد، اکسیدهای خاکی کمیاب مقاومت مهاجرتی بالایی در ساختار دارند و همچنین مانع از مهاجرت سایر یون‌ها می‌شوند و در نتیجه کاهش می‌دهند. سرعت مهاجرت مرزهای دانه، مهار رشد دانه، و جلوگیری از رشد غیر طبیعی دانه ها در طی پخت در دمای بالا. آنها می توانند دانه های کوچک و یکنواختی را بدست آورند که منجر به تشکیل ساختارهای متراکم می شود. از سوی دیگر، با دوپینگ اکسیدهای خاکی کمیاب، آنها وارد فاز شیشه مرز دانه می شوند و استحکام فاز شیشه را بهبود می بخشند و در نتیجه به هدف بهبود خواص مکانیکی ماده می رسند.

عناصر خاکی کمیاب در کامپوزیت های زمینه پلیمری عمدتاً با بهبود خواص ماتریس پلیمری بر آنها تأثیر می گذارد. اکسیدهای خاکی کمیاب می توانند دمای تجزیه حرارتی پلیمرها را افزایش دهند، در حالی که کربوکسیلات های خاکی کمیاب می توانند پایداری حرارتی پلی وینیل کلرید را بهبود بخشند. دوپینگ پلی استایرن با ترکیبات خاکی کمیاب می تواند پایداری پلی استایرن را بهبود بخشد و مقاومت ضربه ای و مقاومت خمشی آن را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.