Application des terres rares dans les matériaux composites

Application deTerre rareen matériaux composites
Les éléments de terres rares ont une structure électronique 4f unique, un grand moment magnétique atomique, un fort couplage de spin et d'autres caractéristiques. Lors de la formation de complexes avec d'autres éléments, leur numéro de coordination peut varier de 6 à 12. Les composés de terres rares ont une variété de structures cristallines. Les propriétés physiques et chimiques particulières des terres rares les rendent largement utilisées dans la fusion d'acier de haute qualité et de métaux non ferreux, de verres spéciaux et de céramiques hautes performances, de matériaux à aimants permanents, de matériaux de stockage d'hydrogène, de matériaux luminescents et laser, de matériaux nucléaires. , et d'autres domaines. Avec le développement continu des matériaux composites, l'application des terres rares s'est également étendue au domaine des matériaux composites, attirant une large attention sur l'amélioration des propriétés d'interface entre matériaux hétérogènes.

Les principales formes d'application des terres rares dans la préparation de matériaux composites comprennent : ① l'ajoutmétaux des terres raresaux matériaux composites ; ② Ajouter sous la forme deoxydes de terres raresau matériau composite ; ③ Les polymères dopés ou liés avec des métaux des terres rares dans les polymères sont utilisés comme matériaux de matrice dans les matériaux composites. Parmi les trois formes d'application des terres rares ci-dessus, les deux premières formes sont principalement ajoutées au composite à matrice métallique, tandis que la troisième est principalement appliquée aux composites à matrice polymère, et le composite à matrice céramique est principalement ajouté dans la seconde forme.

Terre rareagit principalement sur les composites à matrice métallique et à matrice céramique sous forme d'additifs, de stabilisants et d'additifs de frittage, améliorant considérablement leurs performances, réduisant les coûts de production et rendant possible son application industrielle.

L'ajout d'éléments de terres rares comme additifs dans les matériaux composites joue principalement un rôle dans l'amélioration des performances d'interface des matériaux composites et dans la promotion du raffinement des grains de la matrice métallique. Le mécanisme d'action est le suivant.

① Améliorer la mouillabilité entre la matrice métallique et la phase de renforcement. L'électronégativité des éléments des terres rares est relativement faible (plus l'électronégativité des métaux est faible, plus l'électronégativité des non-métaux est active). Par exemple, La vaut 1,1, Ce vaut 1,12 et Y vaut 1,22. L'électronégativité du métal de base commun Fe est de 1,83, Ni est de 1,91 et Al est de 1,61. Par conséquent, les éléments de terres rares s'adsorberont préférentiellement sur les joints de grains de la matrice métallique et de la phase de renforcement pendant le processus de fusion, réduisant ainsi leur énergie d'interface, augmentant le travail d'adhésion de l'interface, réduisant l'angle de mouillage et améliorant ainsi la mouillabilité entre la matrice. et phase de renforcement. La recherche a montré que l'ajout d'élément La à la matrice d'aluminium améliore efficacement la mouillabilité de l'AlO et de l'aluminium liquide, ainsi que la microstructure des matériaux composites.

② Favoriser le raffinement des grains de matrice métallique. La solubilité des terres rares dans les cristaux métalliques est faible, car le rayon atomique des éléments des terres rares est grand et le rayon atomique de la matrice métallique est relativement petit. L'entrée d'éléments de terres rares avec un rayon plus grand dans le réseau matriciel provoquera une distorsion du réseau, ce qui augmentera l'énergie du système. Pour maintenir l'énergie libre la plus basse, les atomes de terres rares ne peuvent s'enrichir que vers des joints de grains irréguliers, ce qui entrave dans une certaine mesure la libre croissance des grains de la matrice. Dans le même temps, les éléments de terres rares enrichis adsorberont également d'autres éléments d'alliage, augmentant le gradient de concentration des éléments d'alliage, provoquant un sous-refroidissement des composants locaux et renforçant l'effet de nucléation hétérogène de la matrice de métal liquide. De plus, le sous-refroidissement provoqué par la ségrégation élémentaire peut également favoriser la formation de composés ségrégués et devenir des particules de nucléation hétérogènes efficaces, favorisant ainsi le raffinement des grains de la matrice métallique.

③ Purifier les joints de grains. En raison de la forte affinité entre les éléments des terres rares et des éléments tels que O, S, P, N, etc., l'énergie libre standard de formation des oxydes, sulfures, phosphures et nitrures est faible. Ces composés ont un point de fusion élevé et une faible densité, dont certains peuvent être éliminés en flottant vers le haut du liquide d'alliage, tandis que d'autres sont répartis uniformément dans le grain, réduisant ainsi la ségrégation des impuretés au joint de grain, purifiant ainsi le joint de grain et améliorant sa force.

Il convient de noter qu'en raison de la forte activité et du faible point de fusion des métaux des terres rares, lorsqu'ils sont ajoutés au composite à matrice métallique, leur contact avec l'oxygène doit être spécialement contrôlé pendant le processus d'addition.

Un grand nombre de pratiques ont prouvé que l'ajout d'oxydes de terres rares comme stabilisants, auxiliaires de frittage et modificateurs de dopage à différents composites à matrice métallique et à matrice céramique peut grandement améliorer la résistance et la ténacité des matériaux, réduire leur température de frittage et ainsi réduire les coûts de production. Le principal mécanisme de son action est le suivant.

① En tant qu'additif de frittage, il peut favoriser le frittage et réduire la porosité des matériaux composites. L'ajout d'additifs de frittage vise à générer une phase liquide à haute température, à réduire la température de frittage des matériaux composites, à inhiber la décomposition des matériaux à haute température pendant le processus de frittage et à obtenir des matériaux composites denses grâce au frittage en phase liquide. En raison de la stabilité élevée, de la faible volatilité à haute température et des points de fusion et d'ébullition élevés des oxydes de terres rares, ils peuvent former des phases vitreuses avec d'autres matières premières et favoriser le frittage, ce qui en fait un additif efficace. Dans le même temps, l'oxyde de terre rare peut également former une solution solide avec la matrice céramique, ce qui peut générer des défauts cristallins à l'intérieur, activer le réseau et favoriser le frittage.

② Améliorer la microstructure et affiner la taille des grains. En raison du fait que les oxydes de terres rares ajoutés existent principalement aux joints de grains de la matrice et en raison de leur volume important, les oxydes de terres rares ont une résistance élevée à la migration dans la structure et entravent également la migration d'autres ions, réduisant ainsi la taux de migration des joints de grains, inhibant la croissance des grains et empêchant la croissance anormale des grains lors du frittage à haute température. Ils peuvent obtenir des grains petits et uniformes, propices à la formation de structures denses ; D'autre part, en dopant les oxydes de terres rares, ils entrent dans la phase vitreuse limite des grains, améliorant ainsi la résistance de la phase vitreuse et atteignant ainsi l'objectif d'amélioration des propriétés mécaniques du matériau.

Les éléments de terres rares présents dans les composites à matrice polymère les affectent principalement en améliorant les propriétés de la matrice polymère. Les oxydes de terres rares peuvent augmenter la température de décomposition thermique des polymères, tandis que les carboxylates de terres rares peuvent améliorer la stabilité thermique du polychlorure de vinyle. Le dopage du polystyrène avec des composés de terres rares peut améliorer la stabilité du polystyrène et augmenter considérablement sa résistance aux chocs et à la flexion.