AplikasiTanah Jarangdalam Material Komposit
Unsur tanah jarang memiliki struktur elektronik 4f yang unik, momen magnetik atom yang besar, kopling spin yang kuat, dan karakteristik lainnya. Saat membentuk kompleks dengan unsur lain, nomor koordinasinya dapat bervariasi dari 6 hingga 12. Senyawa tanah jarang memiliki berbagai struktur kristal. Sifat fisik dan kimia khusus dari tanah jarang membuatnya banyak digunakan dalam peleburan baja berkualitas tinggi dan logam non-ferrous, kaca khusus dan keramik berkinerja tinggi, bahan magnet permanen, bahan penyimpanan hidrogen, bahan luminescent dan laser, bahan nuklir, dan bidang lainnya. Dengan pengembangan material komposit yang berkelanjutan, penerapan tanah jarang juga telah meluas ke bidang material komposit, menarik perhatian luas dalam meningkatkan sifat antarmuka antara material heterogen.
Bentuk aplikasi utama tanah jarang dalam persiapan bahan komposit meliputi: ① menambahkanlogam tanah jarangke bahan komposit; ② Tambahkan dalam bentukoksida tanah jarangpada material komposit; ③ Polimer yang didoping atau diikat dengan logam tanah jarang dalam polimer digunakan sebagai material matrik dalam material komposit. Di antara tiga bentuk aplikasi tanah jarang di atas, dua bentuk pertama sebagian besar ditambahkan ke komposit matrik logam, sedangkan yang ketiga terutama diterapkan pada komposit matrik polimer, dan komposit matrik keramik sebagian besar ditambahkan dalam bentuk kedua.
Tanah jarangterutama bekerja pada matriks logam dan komposit matriks keramik dalam bentuk aditif, stabilisator, dan aditif sintering, sangat meningkatkan kinerjanya, mengurangi biaya produksi, dan memungkinkan penerapan industrinya.
Penambahan unsur tanah jarang sebagai aditif dalam material komposit terutama berperan dalam meningkatkan kinerja antarmuka material komposit dan mendorong penyempurnaan butiran matriks logam. Mekanisme kerjanya adalah sebagai berikut.
① Meningkatkan kebasahan antara matriks logam dan fase penguat. Keelektronegatifan unsur tanah jarang relatif rendah (semakin kecil keelektronegatifan logam, semakin aktif keelektronegatifan nonlogam). Misalnya, La adalah 1,1, Ce adalah 1,12, dan Y adalah 1,22. Keelektronegatifan logam dasar umum Fe adalah 1,83, Ni adalah 1,91, dan Al adalah 1,61. Oleh karena itu, unsur tanah jarang akan lebih disukai teradsorpsi pada batas butir matriks logam dan fase penguat selama proses peleburan, mengurangi energi antarmuka mereka, meningkatkan kerja adhesi antarmuka, mengurangi sudut pembasahan, dan dengan demikian meningkatkan kebasahan antara matriks dan fase penguat. Penelitian telah menunjukkan bahwa penambahan unsur La ke matriks aluminium secara efektif meningkatkan kebasahan AlO dan cairan aluminium, dan meningkatkan struktur mikro bahan komposit.
② Meningkatkan penyempurnaan butiran matriks logam. Kelarutan tanah jarang dalam kristal logam kecil, karena jari-jari atom unsur tanah jarang besar, dan jari-jari atom matriks logam relatif kecil. Masuknya unsur tanah jarang dengan jari-jari yang lebih besar ke dalam kisi matriks akan menyebabkan distorsi kisi, yang akan meningkatkan energi sistem. Untuk mempertahankan energi bebas terendah, atom tanah jarang hanya dapat memperkaya ke arah batas butiran yang tidak teratur, yang sampai batas tertentu menghambat pertumbuhan bebas butiran matriks. Pada saat yang sama, unsur tanah jarang yang diperkaya juga akan menyerap unsur paduan lainnya, meningkatkan gradien konsentrasi unsur paduan, menyebabkan pendinginan komponen lokal yang kurang, dan meningkatkan efek nukleasi heterogen dari matriks logam cair. Selain itu, pendinginan yang kurang yang disebabkan oleh segregasi unsur juga dapat meningkatkan pembentukan senyawa yang terpisah dan menjadi partikel nukleasi heterogen yang efektif, sehingga meningkatkan penyempurnaan butiran matriks logam.
③ Memurnikan batas butir. Karena afinitas yang kuat antara unsur tanah jarang dan unsur-unsur seperti O, S, P, N, dll., energi bebas pembentukan standar untuk oksida, sulfida, fosfida, dan nitrida rendah. Senyawa-senyawa ini memiliki titik leleh yang tinggi dan kepadatan yang rendah, beberapa di antaranya dapat dihilangkan dengan mengapung dari cairan paduan, sementara yang lain terdistribusi secara merata di dalam butir, mengurangi pemisahan pengotor pada batas butir, sehingga memurnikan batas butir dan meningkatkan kekuatannya.
Perlu dicatat bahwa, karena aktivitas tinggi dan titik leleh rendah dari logam tanah jarang, saat ditambahkan ke komposit matriks logam, kontaknya dengan oksigen perlu dikontrol secara khusus selama proses penambahan.
Sejumlah besar praktik telah membuktikan bahwa penambahan oksida tanah jarang sebagai penstabil, bahan pembantu sintering, dan pengubah doping ke berbagai matrik logam dan komposit matrik keramik dapat meningkatkan kekuatan dan ketangguhan material secara signifikan, mengurangi suhu sintering, dan dengan demikian mengurangi biaya produksi. Mekanisme utama aksinya adalah sebagai berikut.
① Sebagai aditif sintering, dapat meningkatkan sintering dan mengurangi porositas pada material komposit. Penambahan aditif sintering adalah untuk menghasilkan fase cair pada suhu tinggi, mengurangi suhu sintering material komposit, menghambat dekomposisi material pada suhu tinggi selama proses sintering, dan memperoleh material komposit padat melalui sintering fase cair. Karena stabilitas tinggi, volatilitas suhu tinggi yang lemah, dan titik leleh dan titik didih yang tinggi dari oksida tanah jarang, mereka dapat membentuk fase kaca dengan bahan baku lainnya dan meningkatkan sintering, menjadikannya aditif yang efektif. Pada saat yang sama, oksida tanah jarang juga dapat membentuk larutan padat dengan matriks keramik, yang dapat menghasilkan cacat kristal di dalamnya, mengaktifkan kisi dan meningkatkan sintering.
② Memperbaiki struktur mikro dan memperbaiki ukuran butiran. Karena oksida tanah jarang yang ditambahkan sebagian besar berada di batas butiran matriks, dan karena volumenya yang besar, oksida tanah jarang memiliki ketahanan migrasi yang tinggi dalam struktur, dan juga menghambat migrasi ion lain, sehingga mengurangi laju migrasi batas butiran, menghambat pertumbuhan butiran, dan menghambat pertumbuhan butiran yang tidak normal selama sintering suhu tinggi. Mereka dapat memperoleh butiran kecil dan seragam, yang mendukung pembentukan struktur padat; Di sisi lain, dengan mendoping oksida tanah jarang, mereka memasuki fase kaca batas butiran, meningkatkan kekuatan fase kaca dan dengan demikian mencapai tujuan untuk meningkatkan sifat mekanis material.
Unsur tanah jarang dalam komposit matriks polimer terutama memengaruhi komposit tersebut dengan meningkatkan sifat-sifat matriks polimer. Oksida tanah jarang dapat meningkatkan suhu dekomposisi termal polimer, sedangkan karboksilat tanah jarang dapat meningkatkan stabilitas termal polivinil klorida. Doping polistirena dengan senyawa tanah jarang dapat meningkatkan stabilitas polistirena dan secara signifikan meningkatkan kekuatan impak dan kekuatan tekuknya.
Waktu posting: 26-Apr-2023