Aplikasi dariBumi Langkadalam Bahan Komposit
Unsur tanah jarang memiliki struktur elektronik 4f yang unik, momen magnet atom yang besar, kopling putaran yang kuat, dan karakteristik lainnya.Saat membentuk kompleks dengan unsur lain, bilangan koordinasinya dapat bervariasi dari 6 hingga 12. Senyawa tanah jarang memiliki struktur kristal yang beragam.Sifat fisik dan kimia khusus dari tanah jarang membuatnya banyak digunakan dalam peleburan baja berkualitas tinggi dan logam non-besi, kaca khusus dan keramik berkinerja tinggi, bahan magnet permanen, bahan penyimpan hidrogen, bahan luminescent dan laser, bahan nuklir. , dan bidang lainnya.Dengan terus berkembangnya material komposit, penerapan tanah jarang juga meluas ke bidang material komposit, menarik perhatian luas dalam meningkatkan sifat antarmuka antara material heterogen.
Bentuk penerapan utama tanah jarang dalam pembuatan material komposit meliputi: ① penambahanlogam tanah jaranguntuk material komposit;② Tambahkan dalam bentukoksida tanah jarangke material komposit;③ Polimer yang diolah atau diikat dengan logam tanah jarang dalam polimer digunakan sebagai bahan matriks pada bahan komposit.Di antara ketiga bentuk penerapan tanah jarang di atas, dua bentuk pertama paling banyak ditambahkan pada komposit matriks logam, sedangkan bentuk ketiga terutama diterapkan pada komposit matriks polimer, dan komposit matriks keramik terutama ditambahkan pada bentuk kedua.
Tanah langkaterutama bekerja pada matriks logam dan komposit matriks keramik dalam bentuk aditif, stabilisator, dan aditif sintering, sehingga sangat meningkatkan kinerjanya, mengurangi biaya produksi, dan memungkinkan penerapan industrinya.
Penambahan unsur tanah jarang sebagai bahan tambahan pada material komposit terutama berperan dalam meningkatkan kinerja antarmuka material komposit dan mendorong kehalusan butiran matriks logam.Mekanisme kerjanya adalah sebagai berikut.
① Meningkatkan keterbasahan 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 biasa Fe adalah 1,83, Ni 1,91, dan Al 1,61.Oleh karena itu, unsur tanah jarang akan secara istimewa teradsorpsi pada batas butir matriks logam dan fase penguat selama proses peleburan, mengurangi energi antarmuka, meningkatkan kerja adhesi antarmuka, mengurangi sudut pembasahan, dan dengan demikian meningkatkan keterbasahan antar matriks. dan fase penguatan.Penelitian telah menunjukkan bahwa penambahan elemen La ke matriks aluminium secara efektif meningkatkan keterbasahan Al2O3 dan cairan aluminium, serta meningkatkan struktur mikro material komposit.
② Mempromosikan kehalusan 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 radius lebih besar ke dalam kisi matriks akan menyebabkan distorsi kisi sehingga akan meningkatkan energi sistem.Untuk mempertahankan energi bebas terendah, atom tanah jarang hanya dapat memperkaya hingga batas butir tidak beraturan, yang sampai batas tertentu menghambat pertumbuhan bebas butir matriks.Pada saat yang sama, unsur tanah jarang yang diperkaya juga akan mengadsorpsi unsur paduan lainnya, meningkatkan gradien konsentrasi unsur paduan, menyebabkan pendinginan rendah komponen lokal, dan meningkatkan efek nukleasi heterogen dari matriks logam cair.Selain itu, pendinginan bawah yang disebabkan oleh segregasi unsur juga dapat mendorong pembentukan senyawa yang tersegregasi dan menjadi partikel nukleasi heterogen yang efektif, sehingga mendorong kehalusan 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 menjadi rendah.Senyawa-senyawa ini memiliki titik leleh tinggi dan kepadatan rendah, beberapa di antaranya dapat dihilangkan dengan cara mengapung dari cairan paduan, sementara yang lain didistribusikan secara merata di dalam butiran, mengurangi pemisahan pengotor pada batas butir, sehingga memurnikan batas butir dan memurnikan batas butir. meningkatkan kekuatannya.
Perlu dicatat bahwa, karena aktivitas tinggi dan titik leleh rendah logam tanah jarang, ketika ditambahkan ke komposit matriks logam, kontaknya dengan oksigen perlu dikontrol secara khusus selama proses penambahan.
Sejumlah besar praktik telah membuktikan bahwa menambahkan oksida tanah jarang sebagai stabilisator, alat bantu sintering, dan pengubah doping ke matriks logam dan komposit matriks keramik yang berbeda dapat sangat meningkatkan kekuatan dan ketangguhan material, 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 bahan aditif sintering bertujuan untuk menghasilkan fasa cair pada suhu tinggi, menurunkan suhu sintering material komposit, menghambat dekomposisi material pada suhu tinggi selama proses sintering, dan memperoleh material komposit padat melalui sintering fasa cair.Karena stabilitasnya yang tinggi, volatilitas suhu tinggi yang lemah, serta titik leleh dan titik didih yang tinggi dari oksida tanah jarang, oksida tanah jarang dapat membentuk fase kaca dengan bahan mentah lainnya dan mendorong sintering, menjadikannya aditif yang efektif.Pada saat yang sama, oksida tanah jarang juga dapat membentuk larutan padat dengan matriks keramik, yang dapat menyebabkan cacat kristal di dalamnya, mengaktifkan kisi, dan mendorong sintering.
② Memperbaiki struktur mikro dan memperhalus ukuran butir.Karena fakta bahwa oksida tanah jarang yang ditambahkan terutama terdapat pada batas butir 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 butir, menghambat pertumbuhan butir, dan menghambat pertumbuhan butir yang tidak normal selama sintering suhu tinggi.Mereka dapat memperoleh butiran kecil dan seragam, yang kondusif bagi pembentukan struktur padat;Di sisi lain, dengan mendoping oksida tanah jarang, mereka memasuki fase kaca batas butir, meningkatkan kekuatan fase kaca dan dengan demikian mencapai tujuan untuk meningkatkan sifat mekanik material.
Unsur tanah jarang dalam komposit matriks polimer terutama mempengaruhinya dengan meningkatkan sifat matriks polimer.Oksida tanah jarang dapat meningkatkan suhu dekomposisi termal polimer, sedangkan karboksilat tanah jarang dapat meningkatkan stabilitas termal polivinil klorida.Doping polistiren dengan senyawa tanah jarang dapat meningkatkan stabilitas polistiren dan secara signifikan meningkatkan kekuatan benturan dan kekuatan lenturnya.
Waktu posting: 26 April-2023