복합재료에 희토류 응용

적용희토류복합재료 부문
희토류 원소는 독특한 4f 전자 구조, 큰 원자 자기 모멘트, 강한 스핀 결합 및 기타 특성을 가지고 있습니다. 다른 원소와 착물을 형성할 때 그 배위수는 6에서 12까지 다양합니다. 희토류 화합물은 다양한 결정 구조를 가지고 있습니다. 희토류의 특별한 물리적, 화학적 특성으로 인해 고품질 강철 및 비철금속, 특수 유리 및 고성능 세라믹, 영구 자석 재료, 수소 저장 재료, 발광 및 레이저 재료, 핵 재료의 제련에 널리 사용됩니다. 및 기타 분야. 복합재료의 지속적인 개발에 따라 희토류의 응용도 복합재료 분야로 확대되면서 이종재료간의 계면특성을 향상시키는 데에 큰 관심을 받고 있다.

복합 재료 제조 시 희토류의 주요 응용 형태는 다음과 같습니다.희토류 금속복합재료에; ② 다음과 같은 형태로 추가한다.희토류 산화물복합재료에; ③ 고분자에 희토류 금속을 도핑하거나 결합한 고분자는 복합재료의 매트릭스 재료로 사용된다. 위의 세 가지 희토류 적용 형태 중 처음 두 가지 형태는 금속 매트릭스 복합재에 주로 첨가되고, 세 번째는 고분자 매트릭스 복합재에 주로 적용되며, 세라믹 매트릭스 복합재는 두 번째 형태에 주로 첨가됩니다.

희토류주로 금속 매트릭스 및 세라믹 매트릭스 복합재에 첨가제, 안정제, 소결 첨가제 형태로 작용하여 성능을 크게 향상시키고 생산 비용을 절감하며 산업적 응용을 가능하게 합니다.

복합 재료에 첨가제로 희토류 원소를 첨가하는 것은 주로 복합 재료의 계면 성능을 향상시키고 금속 매트릭스 입자의 미세화를 촉진하는 역할을 합니다. 행동 메커니즘은 다음과 같습니다.

① 금속 매트릭스와 강화상 사이의 젖음성을 향상시킵니다. 희토류 원소의 전기음성도는 상대적으로 낮습니다(금속의 전기음성도가 작을수록 비금속의 전기음성도는 더 활성입니다). 예를 들어 La는 1.1, Ce는 1.12, Y는 1.22입니다. 일반적인 비금속 Fe의 전기음성도는 1.83, Ni는 1.91, Al은 1.61이다. 따라서 희토류 원소는 제련 과정에서 금속 매트릭스의 결정립 경계와 강화 단계에 우선적으로 흡착되어 계면 에너지를 줄이고 계면의 접착 작업을 증가시키며 습윤 각도를 감소시켜 매트릭스 사이의 습윤성을 향상시킵니다. 그리고 강화 단계. 연구에 따르면 알루미늄 매트릭스에 La 원소를 첨가하면 Al2O 및 알루미늄 액체의 습윤성이 효과적으로 향상되고 복합 재료의 미세 구조가 향상되는 것으로 나타났습니다.

② 금속 매트릭스 입자의 미세화를 촉진합니다. 희토류 원소의 원자 반경이 크고 금속 매트릭스의 원자 반경이 상대적으로 작기 때문에 금속 결정에서 희토류의 용해도는 작습니다. 반경이 더 큰 희토류 원소가 매트릭스 격자에 들어가면 격자 왜곡이 발생하여 시스템 에너지가 증가합니다. 가장 낮은 자유 에너지를 유지하기 위해 희토류 원자는 불규칙한 결정립 경계 쪽으로만 농축될 수 있으며, 이는 매트릭스 결정립의 자유 성장을 어느 정도 방해합니다. 동시에, 농축된 희토류 원소는 다른 합금 원소도 흡착하여 합금 원소의 농도 구배를 증가시키고 국부적인 부품 과냉각을 유발하며 액체 금속 매트릭스의 이종 핵 생성 효과를 향상시킵니다. 또한, 원소 편석으로 인한 과냉각은 편석 화합물의 형성을 촉진하고 효과적인 이종 핵생성 입자가 되어 금속 매트릭스 입자의 미세화를 촉진할 수 있습니다.

③ 결정립계를 정화한다. 희토류 원소와 O, S, P, N 등과 같은 원소 사이의 강한 친화력으로 인해 산화물, 황화물, 인화물 및 질화물 형성의 표준 자유 에너지는 낮습니다. 이들 화합물은 융점이 높고 밀도가 낮으며, 일부는 합금액에서 부상하여 제거될 수 있고, 일부는 결정립 내에 고르게 분포되어 결정립계에서 불순물의 편석을 감소시켜 결정립계를 정화시키고, 강도를 향상시킵니다.

희토류 금속은 활성도가 높고 융점이 낮기 때문에 금속 매트릭스 복합재에 첨가할 때 첨가 과정에서 산소와의 접촉을 특별히 제어해야 합니다.

희토류 산화물을 안정제, 소결 보조제, 도핑 개질제로 다양한 금속 매트릭스 및 세라믹 매트릭스 복합재에 첨가하면 재료의 강도와 인성을 크게 향상시키고 소결 온도를 낮추어 생산 비용을 줄일 수 있다는 것이 많은 사례를 통해 입증되었습니다. 그 작용의 주요 메커니즘은 다음과 같습니다.

① 소결 첨가제로서 복합재료의 소결을 촉진하고 기공률을 감소시킬 수 있습니다. 소결첨가제의 첨가는 고온에서 액상을 생성하고, 복합재료의 소결온도를 낮추며, 소결과정에서 재료의 고온 분해를 억제하고, 액상소결을 통해 치밀한 복합재료를 얻기 위한 것이다. 희토류 산화물은 높은 안정성과 약한 고온 휘발성, 높은 녹는점과 끓는점으로 인해 다른 원료와 유리상을 형성하고 소결을 촉진할 수 있어 효과적인 첨가제로 사용됩니다. 동시에 희토류 산화물은 세라믹 매트릭스와 고용체를 형성할 수 있어 내부에 결정 결함을 생성하고 격자를 활성화하며 소결을 촉진할 수 있습니다.

② 미세구조를 개선하고 입자크기를 미세화한다. 첨가된 희토류 산화물은 매트릭스의 결정립계에 주로 존재하고, 부피가 크기 때문에 조직 내에서 마이그레이션 저항이 높으며, 또한 다른 이온의 마이그레이션을 방해하여 결정립계의 이동률, 결정립 성장을 억제하고 고온 소결 시 결정립의 비정상적 성장을 방해합니다. 작고 균일한 입자를 얻을 수 있어 조밀한 구조의 형성에 도움이 됩니다. 한편, 희토류 산화물을 도핑함으로써 결정립계 유리상에 진입하여 유리상의 강도를 향상시켜 재료의 기계적 성질을 향상시킨다는 목적을 달성한다.

폴리머 매트릭스 복합재의 희토류 원소는 주로 폴리머 매트릭스의 특성을 개선함으로써 희토류 원소에 영향을 미칩니다. 희토류 산화물은 폴리머의 열분해 온도를 높일 수 있는 반면, 희토류 카르복실산염은 폴리염화비닐의 열 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 희토류 화합물로 폴리스티렌을 도핑하면 폴리스티렌의 안정성을 향상시키고 충격 강도와 굽힘 강도를 크게 높일 수 있습니다.