იშვიათი დედამიწის გამოყენება კომპოზიტურ მასალებში

განაცხადისიშვიათი დედამიწაკომპოზიტურ მასალებში
იშვიათი დედამიწის ელემენტებს აქვთ უნიკალური 4f ელექტრონული სტრუქტურა, დიდი ატომური მაგნიტური მომენტი, ძლიერი სპინის შეერთება და სხვა მახასიათებლები. სხვა ელემენტებთან კომპლექსების ფორმირებისას მათი კოორდინაციის რიცხვი შეიძლება განსხვავდებოდეს 6-დან 12-მდე. იშვიათი დედამიწის ნაერთებს აქვთ მრავალფეროვანი კრისტალური სტრუქტურა. იშვიათი მიწების განსაკუთრებული ფიზიკური და ქიმიური თვისებები აიძულებს მათ ფართოდ გამოიყენონ მაღალი ხარისხის ფოლადის და ფერადი ლითონების, სპეციალური მინის და მაღალი ხარისხის კერამიკის, მუდმივი მაგნიტის მასალების, წყალბადის შესანახი მასალების, ლუმინესცენტური და ლაზერული მასალების, ბირთვული მასალების დნობისას. და სხვა სფეროები. კომპოზიციური მასალების უწყვეტი განვითარებით, იშვიათი მიწების გამოყენება ასევე გაფართოვდა კომპოზიციური მასალების სფეროში, მიიპყრო ფართო ყურადღება ჰეტეროგენულ მასალებს შორის ინტერფეისის თვისებების გასაუმჯობესებლად.

იშვიათი დედამიწის გამოყენების ძირითადი ფორმები კომპოზიციური მასალების მომზადებისას მოიცავს: ① დამატებაიშვიათი დედამიწის ლითონებიკომპოზიტურ მასალებზე; ② დაამატეთ სახითიშვიათი დედამიწის ოქსიდებიკომპოზიტურ მასალას; ③ პოლიმერებში იშვიათ მიწიერ ლითონებთან დოპირებული ან შეკრული პოლიმერები გამოიყენება როგორც მატრიცული მასალები კომპოზიციურ მასალებში. იშვიათი დედამიწის გამოყენების ზემოაღნიშნულ სამ ფორმას შორის, პირველი ორი ფორმა ძირითადად ემატება ლითონის მატრიცის კომპოზიტს, ხოლო მესამე ძირითადად გამოიყენება პოლიმერული მატრიცის კომპოზიტებზე, ხოლო კერამიკული მატრიცის კომპოზიტი ძირითადად ემატება მეორე ფორმას.

იშვიათი დედამიწაძირითადად მოქმედებს ლითონის მატრიცაზე და კერამიკული მატრიცის კომპოზიტზე დანამატების, სტაბილიზატორებისა და აგლომერაციის დანამატების სახით, რაც მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს მათ შესრულებას, ამცირებს წარმოების ხარჯებს და შესაძლებელს ხდის მის სამრეწველო გამოყენებას.

იშვიათი დედამიწის ელემენტების დამატება, როგორც დანამატები კომპოზიტურ მასალებში, ძირითადად თამაშობს როლს კომპოზიციური მასალების ინტერფეისის მუშაობის გაუმჯობესებაში და ხელს უწყობს ლითონის მატრიცის მარცვლების დახვეწას. მოქმედების მექანიზმი შემდეგია.

① გააუმჯობესეთ დატენიანება ლითონის მატრიცასა და გამაგრების ფაზას შორის. იშვიათი დედამიწის ელემენტების ელექტრონეგატიურობა 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-ის ელექტრონეგატიურობაა 1,83, Ni 1,91 და Al 1,61. ამრიგად, იშვიათი მიწიერი ელემენტები უპირატესად შეიწოვება ლითონის მატრიცის მარცვლების საზღვრებზე და გამაგრების ფაზაზე დნობის პროცესის დროს, ამცირებს მათ ინტერფეისის ენერგიას, გაზრდის ინტერფეისის ადჰეზიურ მუშაობას, ამცირებს დატენიანების კუთხეს და ამით აუმჯობესებს დატენიანებას მატრიქსს შორის. და გამაგრების ეტაპი. კვლევამ აჩვენა, რომ La ელემენტის დამატება ალუმინის მატრიცაში ეფექტურად აუმჯობესებს AlO-ს და ალუმინის სითხის დატენიანებას და აუმჯობესებს კომპოზიტური მასალების მიკროსტრუქტურას.

② ხელი შეუწყოს ლითონის მატრიცის მარცვლების დახვეწას. ლითონის კრისტალში იშვიათი დედამიწის ხსნადობა მცირეა, რადგან იშვიათი დედამიწის ელემენტების ატომური რადიუსი დიდია, ხოლო ლითონის მატრიცის ატომური რადიუსი შედარებით მცირეა. უფრო დიდი რადიუსის მქონე იშვიათი დედამიწის ელემენტების შეყვანა მატრიცის გისოსებში გამოიწვევს მედის დამახინჯებას, რაც გაზრდის სისტემის ენერგიას. ყველაზე დაბალი თავისუფალი ენერგიის შესანარჩუნებლად, იშვიათი დედამიწის ატომებს შეუძლიათ გამდიდრება მხოლოდ მარცვლეულის არარეგულარული საზღვრებისკენ, რაც გარკვეულწილად აფერხებს მატრიცის მარცვლების თავისუფალ ზრდას. ამავდროულად, გამდიდრებული იშვიათი დედამიწის ელემენტები ასევე შთანთქავს სხვა შენადნობის ელემენტებს, გაზრდის შენადნობის ელემენტების კონცენტრაციის გრადიენტს, იწვევს ადგილობრივი კომპონენტების არასაკმარისი გაგრილებას და აძლიერებს თხევადი ლითონის მატრიცის ჰეტეროგენულ ბირთვულ ეფექტს. გარდა ამისა, ელემენტარული სეგრეგაციის შედეგად გამოწვეულმა არასაკმარისი გაგრილებამ ასევე შეიძლება ხელი შეუწყოს სეგრეგირებული ნაერთების წარმოქმნას და გახდეს ეფექტური ჰეტეროგენული ბირთვული ნაწილაკები, რითაც ხელს უწყობს ლითონის მატრიცის მარცვლების დახვეწას.

③ გაასუფთავეთ მარცვლეულის საზღვრები. იშვიათ დედამიწის ელემენტებსა და ისეთ ელემენტებს შორის, როგორიცაა O, S, P, N და ა.შ. ძლიერი კავშირის გამო, ოქსიდების, სულფიდების, ფოსფიდების და ნიტრიდების წარმოქმნის სტანდარტული თავისუფალი ენერგია დაბალია. ამ ნაერთებს აქვთ მაღალი დნობის წერტილი და დაბალი სიმკვრივე, რომელთაგან ზოგიერთი შეიძლება ამოღებულ იქნეს შენადნობის სითხიდან ცურვით, ზოგი კი თანაბრად ნაწილდება მარცვლებში, ამცირებს მინარევების სეგრეგაციას მარცვლის საზღვარზე, რითაც ასუფთავებს მარცვლის საზღვრებს და მისი სიძლიერის გაუმჯობესება.

აღსანიშნავია, რომ იშვიათი მიწიერი ლითონების მაღალი აქტივობისა და დაბალი დნობის წერტილის გამო, როდესაც მათ ემატება ლითონის მატრიცის კომპოზიტში, დამატების პროცესში საჭიროა მათი კონტაქტის ჟანგბადთან სპეციალური კონტროლი.

მრავალრიცხოვანმა პრაქტიკამ დაამტკიცა, რომ იშვიათი დედამიწის ოქსიდების, როგორც სტაბილიზატორების, შედუღების დამხმარე საშუალებების და დოპინგის მოდიფიკატორების დამატება სხვადასხვა ლითონის მატრიცასა და კერამიკული მატრიცის კომპოზიტზე, შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს მასალების სიმტკიცე და სიმტკიცე, შეამციროს მათი შედუღების ტემპერატურა და ამით შეამციროს წარმოების ხარჯები. მისი მოქმედების ძირითადი მექანიზმი შემდეგია.

① როგორც აგლომერაციის დანამატი, მას შეუძლია ხელი შეუწყოს შედუღებას და შეამციროს ფორიანობა კომპოზიციურ მასალებში. აგლომერაციის დანამატების დამატება მიზნად ისახავს თხევადი ფაზის წარმოქმნას მაღალ ტემპერატურაზე, ამცირებს კომპოზიციური მასალების აგლომერაციის ტემპერატურას, აფერხებს მასალების მაღალტემპერატურულ დაშლას აგლომერაციის პროცესში და მკვრივი კომპოზიტური მასალების მიღებას თხევადი ფაზის აგლომერაციის გზით. იშვიათი დედამიწის ოქსიდების მაღალი სტაბილურობის, სუსტი მაღალი ტემპერატურის არასტაბილურობისა და მაღალი დნობისა და დუღილის წერტილების გამო, მათ შეუძლიათ შექმნან მინის ფაზები სხვა ნედლეულთან ერთად და ხელი შეუწყონ აგლომერაციას, რაც მათ ეფექტურ დანამატად აქცევს. ამავდროულად, იშვიათი დედამიწის ოქსიდს ასევე შეუძლია შექმნას მყარი ხსნარი კერამიკული მატრიცით, რომელსაც შეუძლია წარმოქმნას კრისტალური დეფექტები შიგნით, გაააქტიუროს გისოსები და ხელი შეუწყოს აგლომერაციას.

② მიკროსტრუქტურის გაუმჯობესება და მარცვლის ზომის დახვეწა. იმის გამო, რომ დამატებული იშვიათი დედამიწის ოქსიდები ძირითადად არსებობს მატრიცის მარცვლების საზღვრებში და მათი დიდი მოცულობის გამო, იშვიათი დედამიწის ოქსიდებს აქვთ მაღალი მიგრაციის წინააღმდეგობა სტრუქტურაში და ასევე აფერხებენ სხვა იონების მიგრაციას, რითაც ამცირებს მარცვლის საზღვრების მიგრაციის სიჩქარე, მარცვლის ზრდის დათრგუნვა და მარცვლების არანორმალური ზრდის შეფერხება მაღალტემპერატურული აგლომერაციის დროს. მათ შეუძლიათ მიიღონ მცირე და ერთგვაროვანი მარცვლები, რაც ხელს უწყობს მკვრივი სტრუქტურების წარმოქმნას; მეორეს მხრივ, იშვიათი დედამიწის ოქსიდების დოპინგით, ისინი შედიან მარცვლების სასაზღვრო მინის ფაზაში, აუმჯობესებენ მინის ფაზის სიმტკიცეს და ამით მიაღწევენ მიზანს, გააუმჯობესონ მასალის მექანიკური თვისებები.

იშვიათი დედამიწის ელემენტები პოლიმერული მატრიცის კომპოზიტებში ძირითადად გავლენას ახდენს მათზე პოლიმერული მატრიცის თვისებების გაუმჯობესებით. იშვიათი დედამიწის ოქსიდებს შეუძლიათ გაზარდონ პოლიმერების თერმული დაშლის ტემპერატურა, ხოლო იშვიათი დედამიწის კარბოქსილატებს შეუძლიათ გააუმჯობესონ პოლივინილ ქლორიდის თერმული სტაბილურობა. იშვიათი მიწის ნაერთებით დოპინგ პოლისტიროლს შეუძლია გააუმჯობესოს პოლისტიროლის სტაბილურობა და მნიშვნელოვნად გაზარდოს მისი ზემოქმედების ძალა და მოღუნვის ძალა.