Հազվագյուտ հողերի կիրառումը կոմպոզիտային նյութերում

ԿիրառումըՀազվագյուտ Երկիրկոմպոզիտային նյութերում
Հազվագյուտ հողային տարրերն ունեն եզակի 4f էլեկտրոնային կառուցվածք, մեծ ատոմային մագնիսական մոմենտ, ուժեղ սպինային կապ և այլ բնութագրեր: Այլ տարրերի հետ կոմպլեքսներ կազմելիս դրանց կոորդինացիոն թիվը կարող է տատանվել 6-ից մինչև 12: Հազվագյուտ հողային միացություններն ունեն բյուրեղային կառուցվածքների բազմազանություն: Հազվագյուտ հողային տարրերի հատուկ ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները դրանք լայնորեն կիրառում են բարձրորակ պողպատի և գունավոր մետաղների, հատուկ ապակու և բարձր արդյունավետությամբ կերամիկայի, մշտական ​​մագնիսական նյութերի, ջրածնի կուտակիչ նյութերի, լյումինեսցենտային և լազերային նյութերի, միջուկային նյութերի և այլ ոլորտներում: Կոմպոզիտային նյութերի շարունակական զարգացման հետ մեկտեղ, հազվագյուտ հողային տարրերի կիրառումը ընդլայնվել է նաև կոմպոզիտային նյութերի ոլորտում՝ լայն ուշադրություն գրավելով տարասեռ նյութերի միջև միջերեսային հատկությունների բարելավման գործում:

Կոմպոզիտային նյութերի պատրաստման մեջ հազվագյուտ հողային մետաղների հիմնական կիրառման ձևերն են՝ ① ավելացնելըհազվագյուտ հողային մետաղներկոմպոզիտային նյութերի համար; ② Ավելացնել տեսքովհազվագյուտ հողային օքսիդներկոմպոզիտային նյութին։ ③ Պոլիմերներում հազվագյուտ հողային մետաղների հետ լեգիրված կամ կապված պոլիմերները օգտագործվում են որպես մատրիցային նյութեր կոմպոզիտային նյութերում։ Վերոնշյալ հազվագյուտ հողային մետաղների կիրառման երեք ձևերից առաջին երկու ձևերը հիմնականում ավելացվում են մետաղական մատրիցային կոմպոզիտին, մինչդեռ երրորդը հիմնականում կիրառվում է պոլիմերային մատրիցային կոմպոզիտներին, իսկ կերամիկական մատրիցային կոմպոզիտը հիմնականում ավելացվում է երկրորդ ձևով։

Հազվագյուտ հողհիմնականում ազդում է մետաղական մատրիցայի և կերամիկական մատրիցային կոմպոզիտի վրա՝ հավելանյութերի, կայունացուցիչների և սինտերացման հավելանյութերի տեսքով, զգալիորեն բարելավելով դրանց կատարողականությունը, նվազեցնելով արտադրական ծախսերը և հնարավոր դարձնելով դրա արդյունաբերական կիրառումը։

Կոմպոզիտային նյութերում որպես հավելանյութեր հազվագյուտ հողային տարրերի ավելացումը հիմնականում դեր է խաղում կոմպոզիտային նյութերի միջերեսային կատարողականի բարելավման և մետաղական մատրիցի հատիկների կատարելագործման խթանման գործում: Գործողության մեխանիզմը հետևյալն է:

① Բարելավել մետաղական մատրիցի և ամրացնող փուլի միջև թրջվելիությունը: Հազվագյուտ հողային տարրերի էլեկտրոնեգատիվությունը համեմատաբար ցածր է (որքան փոքր է մետաղների էլեկտրոնեգատիվությունը, այնքան ավելի ակտիվ է ոչ մետաղների էլեկտրոնեգատիվությունը): Օրինակ՝ La-ն 1.1 է, Ce-ն՝ 1.12, իսկ Y-ն՝ 1.22: Fe-ի տարածված հիմնական մետաղի էլեկտրոնեգատիվությունը 1.83 է, Ni-ն՝ 1.91, իսկ Al-ը՝ 1.61: Հետևաբար, հազվագյուտ հողային տարրերը հալման գործընթացում նախընտրելիորեն կկլանում են մետաղական մատրիցի և ամրացնող փուլի հատիկների սահմանները՝ նվազեցնելով դրանց միջերեսային էներգիան, մեծացնելով միջերեսի կպչունության աշխատանքը, նվազեցնելով թրջման անկյունը և դրանով իսկ բարելավելով մատրիցի և ամրացնող փուլի միջև թրջվելիությունը: Հետազոտությունները ցույց են տվել, որ La տարրի ավելացումը ալյումինե մատրիցի վրա արդյունավետորեն բարելավում է Al2O3-ի և ալյումինե հեղուկի թրջվելիությունը և բարելավում է կոմպոզիտային նյութերի միկրոկառուցվածքը:

② Նպաստել մետաղական մատրիցային հատիկների մաքրմանը: Հազվագյուտ հողային տարրերի լուծելիությունը մետաղական բյուրեղում փոքր է, քանի որ հազվագյուտ հողային տարրերի ատոմային շառավիղը մեծ է, իսկ մետաղական մատրիցի ատոմային շառավիղը՝ համեմատաբար փոքր: Ավելի մեծ շառավղով հազվագյուտ հողային տարրերի մուտքը մատրիցային ցանց կհանգեցնի ցանցի աղավաղման, ինչը կբարձրացնի համակարգի էներգիան: Ամենացածր ազատ էներգիան պահպանելու համար հազվագյուտ հողային ատոմները կարող են հարստանալ միայն անկանոն հատիկների սահմանների ուղղությամբ, ինչը որոշ չափով խոչընդոտում է մատրիցային հատիկների ազատ աճին: Միևնույն ժամանակ, հարստացված հազվագյուտ հողային տարրերը կկլանեն նաև այլ համաձուլվածքային տարրեր՝ մեծացնելով համաձուլվածքային տարրերի կոնցենտրացիայի գրադիենտը, առաջացնելով տեղային բաղադրիչների թերսառեցում և ուժեղացնելով հեղուկ մետաղական մատրիցի տարասեռ միջուկագոյացման ազդեցությունը: Բացի այդ, տարրերի տարանջատման հետևանքով առաջացած թերսառեցումը կարող է նաև նպաստել տարանջատված միացությունների առաջացմանը և դառնալ արդյունավետ տարասեռ միջուկագոյացման մասնիկներ, այդպիսով նպաստելով մետաղական մատրիցի հատիկների մաքրմանը:

③ Մաքրեք հատիկների սահմանները։ Հազվագյուտ հողային տարրերի և այնպիսի տարրերի միջև ուժեղ կապի պատճառով, ինչպիսիք են O, S, P, N-ը և այլն, օքսիդների, սուլֆիդների, ֆոսֆիդների և նիտրիդների առաջացման ստանդարտ ազատ էներգիան ցածր է։ Այս միացություններն ունեն բարձր հալման կետ և ցածր խտություն, որոնցից մի քանիսը կարող են հեռացվել համաձուլվածքային հեղուկից վերև լողալով, մինչդեռ մյուսները հավասարաչափ բաշխվում են հատիկի մեջ՝ նվազեցնելով խառնուրդների տարանջատումը հատիկների սահմանին, այդպիսով մաքրելով հատիկների սահմանը և բարելավելով դրա ամրությունը։

Պետք է նշել, որ հազվագյուտ հողային մետաղների բարձր ակտիվության և ցածր հալման ջերմաստիճանի պատճառով, երբ դրանք ավելացվում են մետաղական մատրիցային կոմպոզիտին, դրանց շփումը թթվածնի հետ անհրաժեշտ է հատուկ վերահսկել ավելացման գործընթացի ընթացքում։

Մեծ թվով փորձեր ապացուցել են, որ տարբեր մետաղական և կերամիկական մատրիցային կոմպոզիտներին հազվագյուտ հողային օքսիդների ավելացումը որպես կայունացուցիչներ, սինտերացման օժանդակ միջոցներ և խառնուրդների մոդիֆիկատորներ կարող է զգալիորեն բարելավել նյութերի ամրությունն ու կարծրությունը, նվազեցնել դրանց սինտերացման ջերմաստիճանը և այդպիսով կրճատել արտադրական ծախսերը: Դրա գործողության հիմնական մեխանիզմը հետևյալն է:

① Որպես սինթերացման հավելանյութ, այն կարող է խթանել սինթերացումը և նվազեցնել ծակոտկենությունը կոմպոզիտային նյութերում: Սինթերացման հավելանյութերի ավելացումը նախատեսված է բարձր ջերմաստիճաններում հեղուկ փուլ ստեղծելու, կոմպոզիտային նյութերի սինթերացման ջերմաստիճանը նվազեցնելու, սինթերացման գործընթացում նյութերի բարձր ջերմաստիճանում քայքայման կանխարգելման և հեղուկ փուլի սինթերացման միջոցով խիտ կոմպոզիտային նյութեր ստանալու համար: Բարձր կայունության, բարձր ջերմաստիճանում թույլ անկայունության և հալման ու եռման բարձր կետերի շնորհիվ հազվագյուտ հողային օքսիդները կարող են ապակե փուլեր առաջացնել այլ հումքի հետ և խթանել սինթերացումը, դարձնելով դրանք արդյունավետ հավելանյութ: Միևնույն ժամանակ, հազվագյուտ հողային օքսիդը կարող է նաև պինդ լուծույթ առաջացնել կերամիկական մատրիցի հետ, որը կարող է առաջացնել բյուրեղային արատներ ներսում, ակտիվացնել ցանցը և խթանել սինթերացումը:

② Բարելավել միկրոկառուցվածքը և ճշգրտել հատիկի չափը։ Քանի որ ավելացված հազվագյուտ հողային օքսիդները հիմնականում առկա են մատրիցի հատիկների սահմաններում, և իրենց մեծ ծավալի պատճառով, հազվագյուտ հողային օքսիդները կառուցվածքում ունեն բարձր միգրացիայի դիմադրություն, ինչպես նաև խոչընդոտում են այլ իոնների միգրացիային, դրանով իսկ նվազեցնելով հատիկների սահմանների միգրացիայի արագությունը, խոչընդոտելով հատիկների աճը և խոչընդոտելով հատիկների աննորմալ աճը բարձր ջերմաստիճանային սինտերացման ընթացքում։ Դրանք կարող են ստանալ փոքր և միատարր հատիկներ, ինչը նպաստում է խիտ կառուցվածքների ձևավորմանը։ Մյուս կողմից, հազվագյուտ հողային օքսիդները խառնելով, դրանք մտնում են հատիկների սահմանային ապակե փուլ, բարելավելով ապակե փուլի ամրությունը և այդպիսով հասնելով նյութի մեխանիկական հատկությունների բարելավման նպատակին։

Պոլիմերային մատրիցային կոմպոզիտներում հազվագյուտ հողային տարրերը հիմնականում ազդում են դրանց վրա՝ բարելավելով պոլիմերային մատրիցի հատկությունները: Հազվագյուտ հողային օքսիդները կարող են բարձրացնել պոլիմերների ջերմային քայքայման ջերմաստիճանը, մինչդեռ հազվագյուտ հողային կարբօքսիլատները կարող են բարելավել պոլիվինիլքլորիդի ջերմային կայունությունը: Պոլիպրոպիլենի հազվագյուտ հողային միացություններով հարստացումը կարող է բարելավել պոլիպրոպիլենի կայունությունը և զգալիորեն մեծացնել դրա հարվածային և ծռման դիմադրությունը: