იშვიათი მიწების გამოყენება კომპოზიტურ მასალებში

გამოყენებაიშვიათი დედამიწაკომპოზიტურ მასალებში
იშვიათმიწა ელემენტები გამოირჩევა უნიკალური 4f ელექტრონული სტრუქტურით, დიდი ატომური მაგნიტური მომენტით, ძლიერი სპინის შეერთებით და სხვა მახასიათებლებით. სხვა ელემენტებთან კომპლექსების ფორმირებისას, მათი კოორდინაციული რიცხვი შეიძლება მერყეობდეს 6-დან 12-მდე. იშვიათმიწა ელემენტების ნაერთებს აქვთ კრისტალური სტრუქტურების მრავალფეროვნება. იშვიათმიწა ელემენტების განსაკუთრებული ფიზიკური და ქიმიური თვისებები მათ ფართოდ გამოყენებას ანიჭებს მაღალი ხარისხის ფოლადისა და ფერადი ლითონების, სპეციალური მინის და მაღალი ხარისხის კერამიკის, მუდმივი მაგნიტის მასალების, წყალბადის შესანახი მასალების, ლუმინესცენტური და ლაზერული მასალების, ბირთვული მასალების და სხვა სფეროების დნობაში. კომპოზიტური მასალების უწყვეტი განვითარებით, იშვიათმიწა ელემენტების გამოყენება ასევე გაფართოვდა კომპოზიტური მასალების სფეროში, რამაც ფართო ყურადღება მიიპყრო ჰეტეროგენულ მასალებს შორის ინტერფეისის თვისებების გაუმჯობესებაში.

კომპოზიტური მასალების მომზადებაში იშვიათმიწა ლითონების გამოყენების ძირითადი ფორმებია: ① დამატებაიშვიათმიწა ლითონებიკომპოზიტურ მასალებზე; ② დაამატეთ სახითიშვიათმიწა ოქსიდებიკომპოზიტურ მასალაზე; ③ პოლიმერებში იშვიათმიწა ლითონებთან დოპირებული ან შეკავშირებული პოლიმერები გამოიყენება კომპოზიტურ მასალებში მატრიცულ მასალებად. იშვიათმიწა ლითონების გამოყენების ზემოთ ჩამოთვლილი სამი ფორმიდან, პირველი ორი ფორმა ძირითადად ემატება ლითონის მატრიცულ კომპოზიტს, ხოლო მესამე ძირითადად გამოიყენება პოლიმერული მატრიცული კომპოზიტებისთვის, ხოლო კერამიკული მატრიცული კომპოზიტი ძირითადად მეორე ფორმით ემატება.

იშვიათმიწაძირითადად მოქმედებს ლითონის მატრიცასა და კერამიკული მატრიცის კომპოზიტზე დანამატების, სტაბილიზატორებისა და შედუღების დანამატების სახით, რაც მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს მათ მუშაობას, ამცირებს წარმოების ხარჯებს და შესაძლებელს ხდის მის სამრეწველო გამოყენებას.

კომპოზიტურ მასალებში დანამატების სახით იშვიათმიწა ელემენტების დამატება ძირითადად მნიშვნელოვან როლს ასრულებს კომპოზიტური მასალების ინტერფეისის მახასიათებლების გაუმჯობესებასა და ლითონის მატრიცის მარცვლების დახვეწაში. მოქმედების მექანიზმი შემდეგია.

① ლითონის მატრიცასა და გამაგრების ფაზას შორის დასველებადობის გაუმჯობესება. იშვიათმიწა ელემენტების ელექტროუარყოფითობა შედარებით დაბალია (რაც უფრო მცირეა ლითონების ელექტროუარყოფითობა, მით უფრო აქტიურია არამეტალების ელექტროუარყოფითობა). მაგალითად, La არის 1.1, Ce არის 1.12 და Y არის 1.22. ჩვეულებრივი ძირითადი ლითონის Fe-ს ელექტროუარყოფითობა არის 1.83, Ni არის 1.91 და Al არის 1.61. ამიტომ, იშვიათმიწა ელემენტები დნობის პროცესში უპირატესად ადსორბირდებიან ლითონის მატრიცის და გამაგრების ფაზის მარცვლების საზღვრებზე, ამცირებენ მათ ინტერფეისის ენერგიას, ზრდის ინტერფეისის ადჰეზიურ მუშაობას, ამცირებს დასველების კუთხეს და ამით აუმჯობესებს მატრიცასა და გამაგრების ფაზას შორის დასველებადობას. კვლევამ აჩვენა, რომ La ელემენტის ალუმინის მატრიცაში დამატება ეფექტურად აუმჯობესებს Al2O3-სა და ალუმინის სითხის დასველებადობას და აუმჯობესებს კომპოზიტური მასალების მიკროსტრუქტურას.

② ლითონის მატრიცის მარცვლების დახვეწის ხელშეწყობა. იშვიათმიწა ელემენტების ხსნადობა ლითონის კრისტალში მცირეა, რადგან იშვიათმიწა ელემენტების ატომური რადიუსი დიდია, ხოლო ლითონის მატრიცის ატომური რადიუსი შედარებით მცირეა. უფრო დიდი რადიუსის მქონე იშვიათმიწა ელემენტების მატრიცის ბადეში შესვლა გამოიწვევს ბადის დამახინჯებას, რაც გაზრდის სისტემის ენერგიას. ყველაზე დაბალი თავისუფალი ენერგიის შესანარჩუნებლად, იშვიათმიწა ელემენტები შეიძლება გამდიდრდნენ მხოლოდ არარეგულარული მარცვლების საზღვრებისკენ, რაც გარკვეულწილად ხელს უშლის მატრიცის მარცვლების თავისუფალ ზრდას. ამავდროულად, გამდიდრებული იშვიათმიწა ელემენტები ასევე შთანთქავენ სხვა შენადნობის ელემენტებს, რაც ზრდის შენადნობის ელემენტების კონცენტრაციის გრადიენტს, იწვევს კომპონენტების ლოკალურ ზედმეტ გაგრილებას და აძლიერებს თხევადი ლითონის მატრიცის ჰეტეროგენული ბირთვის წარმოქმნის ეფექტს. გარდა ამისა, ელემენტარული სეგრეგაციით გამოწვეულმა ზედმეტმა გაგრილებამ ასევე შეიძლება ხელი შეუწყოს სეგრეგირებული ნაერთების წარმოქმნას და გახდეს ეფექტური ჰეტეროგენული ბირთვის წარმოქმნის ნაწილაკები, რითაც ხელს უწყობს ლითონის მატრიცის მარცვლების დახვეწას.

③ მარცვლის საზღვრების გაწმენდა. იშვიათმიწა ელემენტებსა და ისეთ ელემენტებს შორის ძლიერი აფინურობის გამო, როგორიცაა O, S, P, N და ა.შ., ოქსიდების, სულფიდების, ფოსფიდების და ნიტრიდების წარმოქმნის სტანდარტული თავისუფალი ენერგია დაბალია. ამ ნაერთებს აქვთ მაღალი დნობის წერტილი და დაბალი სიმკვრივე, რომელთაგან ზოგიერთის მოცილება შესაძლებელია შენადნობის სითხიდან ამოტივტივებით, ზოგი კი თანაბრად ნაწილდება მარცვალში, რაც ამცირებს მინარევების სეგრეგაციას მარცვლის საზღვარზე, რითაც იწმინდება მარცვლის საზღვარი და იზრდება მისი სიმტკიცე.

უნდა აღინიშნოს, რომ იშვიათმიწა ლითონების მაღალი აქტივობისა და დაბალი დნობის ტემპერატურის გამო, როდესაც ისინი ლითონის მატრიცულ კომპოზიტს ემატება, დამატების პროცესში ჟანგბადთან მათი კონტაქტი სპეციალურად უნდა კონტროლდებოდეს.

მრავალრიცხოვანმა პრაქტიკამ დაამტკიცა, რომ იშვიათმიწა ოქსიდების სტაბილიზატორების, შედუღების დამხმარე საშუალებების და დოპირების მოდიფიკატორების სახით სხვადასხვა ლითონის მატრიცებსა და კერამიკულ მატრიცულ კომპოზიტებში დამატებამ შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს მასალების სიმტკიცე და სიმტკიცე, შეამციროს მათი შედუღების ტემპერატურა და ამით შეამციროს წარმოების ხარჯები. მისი მოქმედების ძირითადი მექანიზმი შემდეგია.

① როგორც სინთეზირების დანამატი, მას შეუძლია ხელი შეუწყოს სინთეზირებას და შეამციროს ფორიანობა კომპოზიტურ მასალებში. სინთეზირების დანამატების დამატება მიზნად ისახავს თხევადი ფაზის წარმოქმნას მაღალ ტემპერატურაზე, კომპოზიტური მასალების სინთეზირების ტემპერატურის შემცირებას, მასალების მაღალტემპერატურულ დაშლას სინთეზირების პროცესში და მკვრივი კომპოზიტური მასალების მიღებას თხევადი ფაზის სინთეზირების გზით. იშვიათმიწა ოქსიდების მაღალი სტაბილურობის, სუსტი მაღალტემპერატურული ცვალებადობის და მაღალი დნობისა და დუღილის წერტილების გამო, მათ შეუძლიათ სხვა ნედლეულთან ერთად მინის ფაზების წარმოქმნა და სინთეზირების ხელშეწყობა, რაც მათ ეფექტურ დანამატად აქცევს. ამავდროულად, იშვიათმიწა ოქსიდს ასევე შეუძლია მყარი ხსნარის წარმოქმნა კერამიკულ მატრიცასთან ერთად, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს კრისტალური დეფექტების წარმოქმნა შიგნით, გაააქტიუროს ბადე და ხელი შეუწყოს სინთეზირებას.

② მიკროსტრუქტურის გაუმჯობესება და მარცვლის ზომის დახვეწა. იმის გამო, რომ დამატებული იშვიათმიწა ოქსიდები ძირითადად მატრიცის მარცვლის საზღვრებზეა და მათი დიდი მოცულობის გამო, იშვიათმიწა ოქსიდებს სტრუქტურაში მაღალი მიგრაციის წინააღმდეგობა აქვთ და ასევე ხელს უშლიან სხვა იონების მიგრაციას, რითაც ამცირებენ მარცვლის საზღვრების მიგრაციის სიჩქარეს, აფერხებენ მარცვლის ზრდას და ხელს უშლიან მარცვლების ანომალიურ ზრდას მაღალტემპერატურულ სინთეზირების დროს. მათ შეუძლიათ მიიღონ პატარა და ერთგვაროვანი მარცვლები, რაც ხელს უწყობს მკვრივი სტრუქტურების ფორმირებას; მეორეს მხრივ, იშვიათმიწა ოქსიდების დოპინგით, ისინი შედიან მარცვლის სასაზღვრო მინის ფაზაში, აუმჯობესებენ მინის ფაზის სიმტკიცეს და ამით მიაღწევენ მასალის მექანიკური თვისებების გაუმჯობესების მიზანს.

პოლიმერული მატრიცული კომპოზიტებში იშვიათმიწა ელემენტები ძირითადად გავლენას ახდენს მათზე პოლიმერული მატრიცის თვისებების გაუმჯობესებით. იშვიათმიწა ოქსიდებს შეუძლიათ გაზარდონ პოლიმერების თერმული დაშლის ტემპერატურა, ხოლო იშვიათმიწა კარბოქსილატებს შეუძლიათ გააუმჯობესონ პოლივინილქლორიდის თერმული სტაბილურობა. იშვიათმიწა ნაერთებით პოლისტიროლის დოპირებამ შეიძლება გააუმჯობესოს პოლისტიროლის სტაბილურობა და მნიშვნელოვნად გაზარდოს მისი დარტყმითი და მოხრის სიმტკიცე.