کاربردعناصر کمیاب زمیندر مواد کامپوزیت
عناصر خاکی کمیاب دارای ساختار الکترونیکی منحصر به فرد 4f، گشتاور مغناطیسی اتمی بزرگ، کوپلینگ اسپینی قوی و سایر ویژگی‌ها هستند. هنگام تشکیل کمپلکس با سایر عناصر، عدد کئوردیناسیون آنها می‌تواند از 6 تا 12 متغیر باشد. ترکیبات خاکی کمیاب ساختارهای کریستالی متنوعی دارند. خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه عناصر خاکی کمیاب باعث می‌شود که آنها به طور گسترده در ذوب فولاد با کیفیت بالا و فلزات غیر آهنی، شیشه‌های مخصوص و سرامیک‌های با کارایی بالا، مواد آهنربای دائمی، مواد ذخیره هیدروژن، مواد لومینسانس و لیزر، مواد هسته‌ای و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار گیرند. با توسعه مداوم مواد کامپوزیتی، کاربرد عناصر خاکی کمیاب به حوزه مواد کامپوزیتی نیز گسترش یافته و توجه گسترده‌ای را در بهبود خواص فصل مشترک بین مواد ناهمگن به خود جلب کرده است.
اشکال اصلی کاربرد عناصر خاکی کمیاب در تهیه مواد کامپوزیتی عبارتند از: ① افزودنفلزات خاکی کمیاببه مواد کامپوزیت؛ ② به شکل زیر اضافه کنیداکسیدهای عناصر کمیاببه ماده کامپوزیت؛ ③ پلیمرهای آلاییده شده یا پیوند یافته با فلزات خاکی کمیاب در پلیمرها به عنوان مواد زمینه در مواد کامپوزیتی استفاده می‌شوند. از بین سه شکل کاربرد عناصر خاکی کمیاب فوق، دو شکل اول بیشتر به کامپوزیت زمینه فلزی اضافه می‌شوند، در حالی که شکل سوم عمدتاً به کامپوزیت‌های زمینه پلیمری اعمال می‌شود و کامپوزیت زمینه سرامیکی عمدتاً به شکل دوم اضافه می‌شود.
عناصر خاکی کمیاباین ماده عمدتاً به شکل افزودنی‌ها، پایدارکننده‌ها و افزودنی‌های تف‌جوشی روی کامپوزیت‌های زمینه فلزی و زمینه سرامیکی عمل می‌کند و عملکرد آنها را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد، هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد و کاربرد صنعتی آن را ممکن می‌سازد.
افزودن عناصر خاکی کمیاب به عنوان افزودنی در مواد کامپوزیتی عمدتاً در بهبود عملکرد فصل مشترک مواد کامپوزیتی و بهبود ریزدانه‌های زمینه فلزی نقش دارد. مکانیسم عمل به شرح زیر است.
① بهبود ترشوندگی بین ماتریس فلزی و فاز تقویت‌کننده. الکترونگاتیوی عناصر خاکی کمیاب نسبتاً پایین است (هرچه الکترونگاتیوی فلزات کمتر باشد، الکترونگاتیوی نافلزات فعال‌تر است). به عنوان مثال، La برابر با 1.1، Ce برابر با 1.12 و Y برابر با 1.22 است. الکترونگاتیوی فلز پایه رایج Fe برابر با 1.83، Ni برابر با 1.91 و Al برابر با 1.61 است. بنابراین، عناصر خاکی کمیاب ترجیحاً در طول فرآیند ذوب روی مرزهای دانه ماتریس فلزی و فاز تقویت‌کننده جذب می‌شوند و انرژی فصل مشترک آنها را کاهش می‌دهند، کار چسبندگی فصل مشترک را افزایش می‌دهند، زاویه ترشوندگی را کاهش می‌دهند و در نتیجه ترشوندگی بین ماتریس و فاز تقویت‌کننده را بهبود می‌بخشند. تحقیقات نشان داده است که افزودن عنصر La به ماتریس آلومینیوم به طور مؤثر ترشوندگی Al2O3 و مایع آلومینیوم را بهبود می‌بخشد و ریزساختار مواد کامپوزیتی را بهبود می‌بخشد.
② بهبود اصلاح دانه‌های ماتریس فلزی. حلالیت عناصر خاکی کمیاب در بلور 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 می‌شود که انرژی سیستم را افزایش می‌دهد. برای حفظ کمترین انرژی آزاد، اتم‌های خاک کمیاب فقط می‌توانند به سمت مرزهای دانه نامنظم غنی شوند که تا حدودی مانع رشد آزاد دانه‌های ماتریس می‌شود. در عین حال، عناصر خاکی کمیاب غنی شده، سایر عناصر آلیاژی را نیز جذب می‌کنند و شیب غلظت عناصر آلیاژی را افزایش می‌دهند، باعث کم تبرید شدن موضعی اجزا می‌شوند و اثر هسته‌زایی ناهمگن ماتریس فلز مایع را افزایش می‌دهند. علاوه بر این، کم تبرید شدن ناشی از جداسازی عناصر می‌تواند تشکیل ترکیبات جدا شده را نیز افزایش دهد و به ذرات هسته‌زایی ناهمگن مؤثر تبدیل شود و در نتیجه اصلاح دانه‌های ماتریس فلزی را بهبود بخشد.
③ خالص‌سازی مرز دانه‌ها. به دلیل میل ترکیبی قوی بین عناصر خاکی کمیاب و عناصری مانند O، S، P، N و غیره، انرژی آزاد استاندارد تشکیل اکسیدها، سولفیدها، فسفیدها و نیتریدها کم است. این ترکیبات نقطه ذوب بالا و چگالی کمی دارند که برخی از آنها را می‌توان با شناور شدن از مایع آلیاژی به سمت بالا حذف کرد، در حالی که برخی دیگر به طور یکنواخت در داخل دانه توزیع می‌شوند و باعث کاهش جداسازی ناخالصی‌ها در مرز دانه می‌شوند و در نتیجه مرز دانه را خالص کرده و استحکام آن را بهبود می‌بخشند.
لازم به ذکر است که به دلیل فعالیت بالا و نقطه ذوب پایین فلزات خاکی کمیاب، هنگام افزودن آنها به کامپوزیت زمینه فلزی، تماس آنها با اکسیژن باید به طور ویژه در طول فرآیند افزودن کنترل شود.
تعداد زیادی از روش‌ها ثابت کرده‌اند که افزودن اکسیدهای عناصر کمیاب به عنوان پایدارکننده، کمک‌فعل و عامل آلایش به کامپوزیت‌های زمینه فلزی و 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 عملکرد آن به شرح زیر است.
① به عنوان یک افزودنی تف‌جوشی، می‌تواند تف‌جوشی را افزایش داده و تخلخل را در مواد کامپوزیتی کاهش دهد. افزودن افزودنی‌های تف‌جوشی برای تولید فاز مایع در دماهای بالا، کاهش دمای تف‌جوشی مواد کامپوزیتی، جلوگیری از تجزیه مواد در دمای بالا در طول فرآیند تف‌جوشی و دستیابی به مواد کامپوزیتی متراکم از طریق تف‌جوشی فاز مایع است. به دلیل پایداری بالا، نوسانات ضعیف در دمای بالا و نقاط ذوب و جوش بالای اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب، آنها می‌توانند با سایر مواد اولیه فازهای شیشه‌ای تشکیل دهند و تف‌جوشی را افزایش دهند که آنها را به یک افزودنی مؤثر تبدیل می‌کند. در عین حال، اکسید عناصر خاکی کمیاب همچنین می‌تواند با ماتریس سرامیکی محلول جامد تشکیل دهد که می‌تواند باعث ایجاد نقص‌های کریستالی در داخل، فعال شدن شبکه و افزایش تف‌جوشی شود.
② بهبود ریزساختار و اصلاح اندازه دانه. با توجه به اینکه اکسیدهای خاکی کمیاب اضافه شده عمدتاً در مرز دانه‌های ماتریس وجود دارند و به دلیل حجم زیاد آنها، اکسیدهای خاکی کمیاب مقاومت مهاجرت بالایی در ساختار دارند و همچنین مانع مهاجرت یون‌های دیگر می‌شوند و در نتیجه سرعت مهاجرت مرز دانه‌ها را کاهش می‌دهند، رشد دانه را مهار می‌کنند و مانع رشد غیرطبیعی دانه‌ها در طول پخت در دمای بالا می‌شوند. آنها می‌توانند دانه‌های کوچک و یکنواختی به دست آورند که منجر به تشکیل ساختارهای متراکم می‌شود. از سوی دیگر، با آلایش اکسیدهای خاکی کمیاب، آنها وارد فاز شیشه‌ای مرز دانه می‌شوند و استحکام فاز شیشه‌ای را بهبود می‌بخشند و در نتیجه به هدف بهبود خواص مکانیکی ماده دست می‌یابند.
عناصر خاکی کمیاب در کامپوزیت‌های زمینه پلیمری عمدتاً با بهبود خواص زمینه پلیمری بر آنها تأثیر می‌گذارند. اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب می‌توانند دمای تجزیه حرارتی پلیمرها را افزایش دهند، در حالی که کربوکسیلات‌های عناصر خاکی کمیاب می‌توانند پایداری حرارتی پلی‌وینیل کلرید را بهبود بخشند. دوپینگ پلی‌استایرن با ترکیبات عناصر خاکی کمیاب می‌تواند پایداری پلی‌استایرن را بهبود بخشد و مقاومت به ضربه و مقاومت خمشی آن را به طور قابل توجهی افزایش دهد.
زمان ارسال: ۲۶ آوریل ۲۰۲۳