تأثیر اکسیدهای عناصر کمیاب در پوشش‌های سرامیکی چیست؟

سرامیک‌ها، مواد فلزی و مواد پلیمری به عنوان سه ماده جامد اصلی ذکر شده‌اند. سرامیک دارای خواص عالی بسیاری مانند مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر سایش و غیره است، زیرا حالت پیوند اتمی سرامیک، پیوند یونی، پیوند کووالانسی یا پیوند مخلوط یون-کووالانسی با انرژی پیوند بالا است. پوشش سرامیکی می‌تواند ظاهر، ساختار و عملکرد سطح بیرونی زیرلایه را تغییر دهد، کامپوزیت پوشش-زیرلایه به دلیل عملکرد جدید خود مورد توجه قرار گرفته است. این کامپوزیت می‌تواند به صورت ارگانیک ویژگی‌های اصلی زیرلایه را با ویژگی‌های مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر سایش بالا و مقاومت در برابر خوردگی بالای مواد سرامیکی ترکیب کند و به مزایای جامع دو نوع ماده به طور کامل عمل کند، بنابراین به طور گسترده در هوافضا، هوانوردی، دفاع ملی، صنایع شیمیایی و سایر صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.

خاک‌های کمیاب به دلیل ساختار الکترونیکی منحصر به فرد 4f و خواص فیزیکی و شیمیایی‌شان، «گنجخانه» مواد جدید نامیده می‌شوند. با این حال، فلزات خالص خاک‌های کمیاب به ندرت مستقیماً در تحقیقات استفاده می‌شوند و بیشتر از ترکیبات خاک‌های کمیاب استفاده می‌شود. رایج‌ترین ترکیبات عبارتند از CeO2، La2O3، Y2O3، LaF3، CeF، CeS و فروسیلیسیم خاک‌های کمیاب. این ترکیبات خاک‌های کمیاب می‌توانند ساختار و خواص مواد سرامیکی و پوشش‌های سرامیکی را بهبود بخشند.

کاربرد اکسیدهای عناصر کمیاب در مواد سرامیکی

افزودن عناصر خاکی کمیاب به عنوان تثبیت‌کننده و کمک‌کننده‌های تف‌جوشی به سرامیک‌های مختلف می‌تواند دمای تف‌جوشی را کاهش دهد، استحکام و چقرمگی برخی از سرامیک‌های ساختاری را بهبود بخشد و در نتیجه هزینه تولید را کاهش دهد. در عین حال، عناصر خاکی کمیاب نقش بسیار مهمی در حسگرهای گازی نیمه‌هادی، محیط‌های مایکروویو، سرامیک‌های پیزوالکتریک و سایر سرامیک‌های کاربردی نیز ایفا می‌کنند. این تحقیق نشان داد که افزودن دو یا چند اکسید خاکی کمیاب به سرامیک‌های آلومینا به طور همزمان بهتر از افزودن یک اکسید خاکی کمیاب به سرامیک‌های آلومینا است. پس از آزمایش بهینه‌سازی، Y2O3+CeO2 بهترین اثر را دارد. هنگامی که 0.2%Y2O3+0.2%CeO2 در دمای 1490 درجه سانتیگراد اضافه شود، چگالی نسبی نمونه‌های تف‌جوشی شده می‌تواند به 96.2% برسد که از چگالی نمونه‌هایی که هر اکسید خاکی کمیاب Y2O3 یا CeO2 به تنهایی دارند، بیشتر است.

تأثیر La2O3+Y2O3 و Sm2O3+La2O3 در افزایش زینترینگ بهتر از افزودن La2O3 به تنهایی است و مقاومت به سایش به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. همچنین نشان می‌دهد که مخلوط کردن دو اکسید خاکی کمیاب یک افزودن ساده نیست، بلکه بین آنها برهمکنشی وجود دارد که برای زینترینگ و بهبود عملکرد سرامیک‌های آلومینا مفیدتر است، اما اصل مطلب هنوز نیاز به بررسی دارد.

علاوه بر این، مشخص شده است که افزودن اکسیدهای فلزات خاکی کمیاب مخلوط به عنوان کمک‌کننده‌های زینترینگ می‌تواند مهاجرت مواد را بهبود بخشد، زینترینگ سرامیک‌های MgO را افزایش دهد و چگالی را بهبود بخشد. با این حال، هنگامی که محتوای اکسید فلزات مخلوط بیش از 15٪ باشد، چگالی نسبی کاهش می‌یابد و تخلخل باز افزایش می‌یابد.

دوم، تأثیر اکسیدهای عناصر کمیاب بر خواص پوشش‌های سرامیکی

تحقیقات موجود نشان می‌دهد که عناصر خاکی کمیاب می‌توانند اندازه دانه را اصلاح کنند، چگالی را افزایش دهند، ریزساختار را بهبود بخشند و فصل مشترک را خالص کنند. این عنصر نقش منحصر به فردی در بهبود استحکام، چقرمگی، سختی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی پوشش‌های سرامیکی ایفا می‌کند که عملکرد پوشش‌های سرامیکی را تا حدی بهبود می‌بخشد و دامنه کاربرد پوشش‌های سرامیکی را گسترش می‌دهد.

۱

بهبود خواص مکانیکی پوشش‌های سرامیکی با استفاده از اکسیدهای عناصر کمیاب

اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب می‌توانند به طور قابل توجهی سختی، استحکام خمشی و استحکام پیوند کششی پوشش‌های سرامیکی را بهبود بخشند. نتایج تجربی نشان می‌دهد که با استفاده از Lao_2 به عنوان افزودنی در ماده Al2O3+3% TiO_2، استحکام کششی پوشش می‌تواند به طور موثری بهبود یابد و استحکام پیوند کششی می‌تواند زمانی که مقدار Lao_2 برابر با 6.0% باشد، به 27.36 مگاپاسکال برسد. با افزودن CeO2 با کسر جرمی 3.0% و 6.0% به ماده Cr2O3، استحکام پیوند کششی پوشش بین 18 تا 25 مگاپاسکال است که بیشتر از 12 تا 16 مگاپاسکال اولیه است. با این حال، هنگامی که مقدار CeO2 برابر با 9.0% باشد، استحکام پیوند کششی به 12 تا 15 مگاپاسکال کاهش می‌یابد.

2

بهبود مقاومت به شوک حرارتی پوشش سرامیکی با استفاده از عناصر خاکی کمیاب

آزمون مقاومت در برابر شوک حرارتی، آزمونی مهم برای سنجش کیفی استحکام پیوند بین پوشش و زیرلایه و تطابق ضریب انبساط حرارتی بین پوشش و زیرلایه است. این آزمون مستقیماً توانایی پوشش در مقاومت در برابر پوسته شدن در هنگام تغییر متناوب دما در طول استفاده را نشان می‌دهد و همچنین توانایی پوشش در مقاومت در برابر خستگی ناشی از شوک مکانیکی و توانایی پیوند با زیرلایه از پهلو را نیز نشان می‌دهد. بنابراین، این آزمون عامل کلیدی برای قضاوت در مورد کیفیت پوشش سرامیکی نیز می‌باشد.

این تحقیق نشان می‌دهد که افزودن 3.0% CeO2 می‌تواند تخلخل و اندازه منافذ در پوشش را کاهش داده و تمرکز تنش را در لبه منافذ کم کند و در نتیجه مقاومت در برابر شوک حرارتی پوشش Cr2O3 را بهبود بخشد. با این حال، تخلخل پوشش سرامیکی Al2O3 کاهش یافته و استحکام اتصال و عمر شکست شوک حرارتی پوشش پس از افزودن LaO2 به طور قابل توجهی افزایش یافته است. هنگامی که مقدار افزودن LaO2 برابر با 6% (کسر جرمی) باشد، مقاومت شوک حرارتی پوشش در بهترین حالت خود قرار دارد و عمر شکست شوک حرارتی می‌تواند به 218 برابر برسد، در حالی که عمر شکست شوک حرارتی پوشش بدون LaO2 تنها 163 برابر است.

3

اکسیدهای عناصر کمیاب بر مقاومت سایشی پوشش‌ها تأثیر می‌گذارند

اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب که برای بهبود مقاومت سایشی پوشش‌های سرامیکی استفاده می‌شوند، عمدتاً CeO2 و La2O3 هستند. ساختار لایه‌ای شش ضلعی آنها می‌تواند عملکرد روانکاری خوبی از خود نشان دهد و خواص شیمیایی پایدار را در دمای بالا حفظ کند، که می‌تواند به طور موثری مقاومت سایشی را بهبود بخشیده و ضریب اصطکاک را کاهش دهد.

تحقیقات نشان می‌دهد که ضریب اصطکاک پوشش با مقدار مناسب CeO2 کوچک و پایدار است. گزارش شده است که افزودن La2O3 به پوشش سرمت پایه نیکل اسپری شده با پلاسما می‌تواند به طور واضح سایش اصطکاکی و ضریب اصطکاک پوشش را کاهش دهد و ضریب اصطکاک با نوسان کمی پایدار است. سطح سایش لایه روکش بدون عناصر خاکی کمیاب چسبندگی جدی و شکستگی ترد و پوسته پوسته شدن را نشان می‌دهد، با این حال، پوشش حاوی عناصر خاکی کمیاب چسبندگی ضعیفی روی سطح ساییده شده نشان می‌دهد و هیچ نشانه‌ای از پوسته پوسته شدن ترد با مساحت بزرگ وجود ندارد. ریزساختار پوشش آلاییده شده با عناصر خاکی کمیاب متراکم‌تر و فشرده‌تر است و منافذ کاهش یافته‌اند که این امر باعث کاهش نیروی اصطکاک متوسط ​​تحمل شده توسط ذرات میکروسکوپی و کاهش اصطکاک و سایش می‌شود. آلاییده شدن عناصر خاکی کمیاب همچنین می‌تواند فاصله صفحه کریستالی سرمت‌ها را افزایش دهد، که منجر به تغییر نیروی برهمکنش بین دو وجه کریستالی و کاهش ضریب اصطکاک می‌شود.

خلاصه:

اگرچه اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب در کاربرد مواد و پوشش‌های سرامیکی دستاوردهای بزرگی داشته‌اند که می‌تواند به طور مؤثر ریزساختار و خواص مکانیکی مواد و پوشش‌های سرامیکی را بهبود بخشد، اما هنوز خواص ناشناخته زیادی، به ویژه در کاهش اصطکاک و سایش، وجود دارد. چگونگی ایجاد هماهنگی بین استحکام و مقاومت سایشی مواد و خواص روانکاری آنها، به یک جهت مهم و قابل بحث در زمینه تریبولوژی تبدیل شده است.

تلفن: +86-21-20970332ایمیل:info@shxlchem.com