Application de terres rares dans les matériaux composites

Application deTerres raresdans les matériaux composites
Les éléments de terres rares ont une structure électronique 4F unique, un grand moment magnétique atomique, un couplage de rotation solide et d'autres caractéristiques. Lors de la formation de complexes avec d'autres éléments, leur nombre de coordination peut varier de 6 à 12. Les composés de terres rares ont une variété de structures cristallines. Les propriétés physiques et chimiques spéciales des terres rares les rendent largement utilisées dans la fusion de métaux en acier et non ferreux de haute qualité, en verre spécial et céramique haute performance, matériaux aimants permanents, matériaux de stockage d'hydrogène, matériaux luminescents et laser, matières nucléaires et autres champs. Avec le développement continu de matériaux composites, l'application de terres rares s'est également étendue au domaine des matériaux composites, attirant une grande attention dans l'amélioration des propriétés d'interface entre les matériaux hétérogènes.

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

Terres raresagit principalement sur la matrice métallique et le composite de matrice céramique sous forme d'additifs, de stabilisateurs et d'additifs de frittage, améliorant considérablement leurs performances, réduisant les coûts de production et rendant son application industrielle possible.

L'ajout d'éléments de terres rares en tant qu'additifs dans les matériaux composites joue principalement un rôle dans l'amélioration des performances d'interface des matériaux composites et la promotion du raffinement des grains de 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 de terres rares est relativement faible (plus l'électronégativité des métaux est petite, plus l'électronégativité des non-métaux) est active. Par exemple, LA est 1,1, CE est 1,12 et Y est 1,22. L'électronégativité du métal de base commune Fe est de 1,83, Ni est de 1,91 et Al est de 1,61. Par conséquent, les éléments de terres rares adsorberont préférentiellement les joints de grains de la matrice métallique et la phase de renforcement pendant le processus de fusion, réduisant 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. La recherche a montré que l'ajout de l'élément LA à la matrice d'aluminium améliore efficacement la mouillabilité du liquide ALO et en aluminium, et améliore la microstructure des matériaux composites.

② Promouvoir le raffinement des grains de matrice métallique. La solubilité des terres rares dans le cristal métallique est petite, car le rayon atomique des éléments de la terre rare 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 faible, les atomes de terres rares ne peuvent enrichir que des joints de grains irréguliers, ce qui entrave dans une certaine mesure la croissance libre des grains matriciels. Dans le même temps, les éléments enrichis en terres rares enrichis adsorberont également d'autres éléments d'alliage, augmentant le gradient de concentration des éléments d'alliage, provoquant une sous-refroidissement local des composants et améliorant l'effet de nucléation hétérogène de la matrice de métal liquide. De plus, le sous-refroidissement causé par la ségrégation élémentaire peut également favoriser la formation de composés séparés et devenir des particules de nucléation hétérogènes efficaces, favorisant ainsi le raffinement des grains de matrice métallique.

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

Il convient de noter que, en raison de l'activité élevée et du faible point de fusion des métaux des terres rares, lorsqu'ils sont ajoutés au composite de 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 en tant que stabilisateurs, aux aides à frittage et aux modificateurs de dopage vers différentes matrices métalliques et composites de matrice céramique peut considérablement 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 dans les matériaux composites. L'ajout d'additifs de frittage consiste à générer une phase liquide à des températures élevées, à réduire la température de frittage des matériaux composites, à inhiber la décomposition à haute température des matériaux pendant le processus de frittage et à obtenir des matériaux composites denses par le frittage de 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 de verre 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, 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 grand volume, les oxydes de terre rares ont une résistance à la migration élevée dans la structure, et gênent également la migration d'autres ions, réduisant ainsi le taux de migration des joints de grains, inhibant la croissance des grains et entravant la croissance antérieure des grains pendant le gardien à haute température. Ils peuvent obtenir des grains petits et uniformes, ce qui est propice à la formation de structures denses; D'un autre côté, en dopant des oxydes de terres rares, ils entrent dans la phase de verre de la limite des grains, améliorant la résistance de la phase de verre et atteignant ainsi l'objectif d'améliorer les propriétés mécaniques du matériau.

Les éléments de terres rares dans les composites de la 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 chlorure de polyvinyle. Le dopage du polystyrène avec des composés de terres rares peut améliorer la stabilité du polystyrène et augmenter considérablement sa résistance à l'impact et la résistance à la flexion.