Application des terres rares dans les matériaux composites

Application deTerres raresdans les matériaux composites
Les terres rares présentent une structure électronique 4f unique, un moment magnétique atomique élevé, un fort couplage de spin et d'autres caractéristiques. Lorsqu'ils forment des complexes avec d'autres éléments, leur nombre de coordination peut varier de 6 à 12. Les composés de terres rares présentent une variété de structures cristallines. Leurs propriétés physiques et chimiques particulières les rendent largement utilisées dans la fusion d'aciers et de métaux non ferreux de haute qualité, de verres spéciaux et de céramiques hautes performances, de matériaux pour aimants permanents, de matériaux de stockage d'hydrogène, de matériaux luminescents et lasers, de matériaux nucléaires, et dans d'autres domaines. Avec le développement continu des matériaux composites, leur application s'est également étendue à ce domaine, attirant un large intérêt pour 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 forme deoxydes de terres rares3. Les polymères dopés ou liés aux terres rares dans les polymères sont utilisés comme matériaux de matrice dans les matériaux composites. Parmi les trois formes d'application des terres rares mentionnées ci-dessus, les deux premières sont principalement ajoutées aux composites à matrice métallique, tandis que la troisième est principalement appliquée aux composites à matrice polymère, et la deuxième forme est principalement utilisée pour les composites à matrice céramique.

Terres raresagit principalement sur les matrices métalliques et les composites 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 de terres rares comme additifs dans les matériaux composites contribue principalement à améliorer les performances d'interface des matériaux composites et à favoriser l'affinage 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 terres rares est relativement faible (plus l'électronégativité des métaux est faible, plus celle des non-métaux est active). Par exemple, La est de 1,1, Ce de 1,12 et Y de 1,22. L'électronégativité du métal de base commun Fe est de 1,83, Ni de 1,91 et Al de 1,61. Par conséquent, les terres rares s'adsorbent 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 la phase de renforcement. Des recherches ont montré que l'ajout de 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 l'affinage des grains de la matrice métallique. La solubilité des terres rares dans les cristaux métalliques est faible, car leur rayon atomique est grand et celui de la matrice métallique relativement petit. L'entrée de terres rares de plus grand rayon dans le réseau matriciel entraîne une distorsion de celui-ci, ce qui augmente l'énergie du système. Pour maintenir une énergie libre minimale, les atomes de terres rares ne peuvent s'enrichir que vers des joints de grains irréguliers, ce qui entrave dans une certaine mesure la croissance libre des grains de la matrice. Parallèlement, les terres rares enrichies adsorbent également d'autres éléments de l'alliage, augmentant ainsi le gradient de concentration des éléments de l'alliage, provoquant une surfusion locale des composants et renforçant l'effet de nucléation hétérogène de la matrice métallique liquide. De plus, la surfusion due à la ségrégation élémentaire peut également favoriser la formation de composés ségrégués, qui deviennent des particules de nucléation hétérogène efficaces, favorisant ainsi l'affinage des grains de la matrice métallique.

③ Purification des joints de grains. En raison de la forte affinité des terres rares avec 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. Certains peuvent être éliminés par remontée du liquide d'alliage, tandis que d'autres sont uniformément répartis dans le grain, ce qui réduit la ségrégation des impuretés au joint de grains, purifiant ainsi ce dernier et améliorant sa résistance.

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 à un composite à matrice métallique, leur contact avec l'oxygène doit être spécialement contrôlé pendant le processus d'ajout.

De nombreuses études ont démontré que l'ajout d'oxydes de terres rares comme stabilisants, auxiliaires de frittage et modificateurs de dopage à différents composites à matrice métallique et céramique peut améliorer considérablement la résistance et la ténacité des matériaux, réduire leur température de frittage et, par conséquent, diminuer les coûts de production. Son principal mécanisme d'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 permet de générer une phase liquide à haute température, de réduire la température de frittage des matériaux composites, d'inhiber la décomposition à haute température des matériaux pendant le frittage et d'obtenir des matériaux composites denses par frittage en phase liquide. Grâce à leur grande stabilité, leur faible volatilité à haute température et leurs points de fusion et d'ébullition élevés, les oxydes de terres rares peuvent former des phases vitreuses avec d'autres matières premières et favoriser le frittage, ce qui en fait un additif efficace. Parallèlement, l'oxyde de terres rares peut également former une solution solide avec la matrice céramique, ce qui peut générer des défauts cristallins, activer le réseau et favoriser le frittage.

② Améliorer la microstructure et affiner la granulométrie. Grâce à leur présence principalement aux joints de grains de la matrice et à leur volume important, les oxydes de terres rares présentent une forte résistance à la migration dans la structure et empêchent la migration d'autres ions, réduisant ainsi la vitesse de migration aux joints de grains, inhibant la croissance des grains et empêchant leur croissance anormale lors du frittage à haute température. Ils permettent d'obtenir des grains petits et uniformes, propices à la formation de structures denses. D'autre part, en dopant les oxydes de terres rares, ils pénètrent dans la phase vitreuse des joints de grains, améliorant ainsi sa résistance et améliorant ainsi les propriétés mécaniques du matériau.

Les terres rares présentes dans les composites à matrice polymère agissent principalement sur ces derniers en améliorant leurs propriétés. 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 sa stabilité et accroître significativement sa résistance aux chocs et à la flexion.