복합재료에 희토류 원소의 적용

의 응용 프로그램희토류복합 재료에서
희토류 원소는 고유한 4f 전자 구조, 큰 원자 자기 모멘트, 강한 스핀 결합 등의 특성을 가지고 있습니다. 다른 원소와 복합화합물을 형성할 경우, 배위수는 6에서 12까지 다양합니다. 희토류 화합물은 다양한 결정 구조를 가지고 있습니다. 희토류 원소의 특별한 물리적, 화학적 특성은 고품질 강철 및 비철 금속 제련, 특수 유리 및 고성능 세라믹, 영구자석 소재, 수소 저장 소재, 발광 및 레이저 소재, 핵 소재 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다. 복합 재료의 지속적인 발전과 함께, 희토류 원소의 응용 분야도 복합 재료 분야로 확대되어 이종 재료 간 계면 특성 향상에 큰 관심을 받고 있습니다.

복합재료 제조에 있어서 희토류의 주요 응용 형태는 다음과 같다. ① 첨가희토류 금속복합재료에; ② 형태로 추가희토류 산화물복합 재료에; ③ 희토류 금속이 도핑되거나 결합된 고분자는 복합 재료의 매트릭스 재료로 사용됩니다. 위의 세 가지 희토류 응용 분야 중 처음 두 가지 형태는 주로 금속 매트릭스 복합 재료에 첨가되고, 세 번째 형태는 주로 고분자 매트릭스 복합 재료에 적용되며, 두 번째 형태는 주로 세라믹 매트릭스 복합 재료에 첨가됩니다.

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

복합재료에 희토류 원소를 첨가제로 첨가하는 것은 주로 복합재료의 계면 성능을 향상시키고 금속 기지 입자의 미세화를 촉진하는 역할을 합니다. 작용 기전은 다음과 같습니다.

① 금속 기지와 보강재 상 사이의 젖음성을 향상시킵니다. 희토류 원소의 전기 음성도는 비교적 낮습니다(금속의 전기 음성도가 작을수록 비금속의 전기 음성도가 더 활발합니다). 예를 들어, La는 1.1, Ce는 1.12, Y는 1.22입니다. 일반적인 비금속인 Fe의 전기 음성도는 1.83, Ni는 1.91, Al은 1.61입니다. 따라서 희토류 원소는 제련 공정 중에 금속 기지와 보강재 상의 결정립계에 우선적으로 흡착되어 계면 에너지를 감소시키고, 계면의 접착력을 증가시키며, 젖음각을 감소시켜 기지와 보강재 상 사이의 젖음성을 향상시킵니다. 연구에 따르면 알루미늄 기지에 La 원소를 첨가하면 Al2O3과 알루미늄 액체의 젖음성을 효과적으로 향상시키고 복합 재료의 미세 구조를 개선하는 것으로 나타났습니다.

② 금속 기지 입자의 미세화를 촉진합니다. 희토류 원소의 원자 반경이 크고 금속 기지의 원자 반경이 상대적으로 작기 때문에 금속 결정에서 희토류의 용해도는 작습니다. 더 큰 반경을 가진 희토류 원소가 기지 격자로 유입되면 격자 왜곡이 발생하여 시스템 에너지가 증가합니다. 최저 자유 에너지를 유지하기 위해 희토류 원자는 불규칙한 결정립계 방향으로만 농축될 수 있으며, 이는 기지 입자의 자유로운 성장을 어느 정도 방해합니다. 동시에 농축된 희토류 원소는 다른 합금 원소를 흡착하여 합금 원소의 농도 구배를 증가시키고, 국소적인 성분 과냉각을 유발하며, 액체 금속 기지의 불균일 핵 생성 효과를 향상시킵니다. 또한, 원소 편석으로 인한 과냉각은 편석된 화합물의 형성을 촉진하고 효과적인 불균일 핵 생성 입자가 되어 금속 기지 입자의 미세화를 촉진할 수 있습니다.

③ 결정립계를 정화합니다. 희토류 원소와 O, S, P, N 등의 원소 사이의 강한 친화력으로 인해 산화물, 황화물, 인화물, 질화물의 표준 생성 자유 에너지가 낮습니다. 이러한 화합물은 높은 융점과 낮은 밀도를 가지며, 일부는 합금 액체에서 부유하여 제거할 수 있고, 다른 일부는 결정립계 내에 고르게 분포되어 결정립계에서 불순물 편석을 줄여 결정립계를 정화하고 강도를 향상시킵니다.

희토류 금속은 활동성이 높고 녹는점이 낮기 때문에 금속 기질 복합재에 첨가할 때 첨가 과정에서 산소와의 접촉을 특별히 제어해야 한다는 점에 유의해야 합니다.

다양한 금속 기지와 세라믹 기지 복합재에 희토류 산화물을 안정제, 소결 보조제, 도핑 개질제로 첨가하면 재료의 강도와 인성을 크게 향상시키고, 소결 온도를 낮추어 생산 비용을 절감할 수 있다는 것이 수많은 사례를 통해 입증되었습니다. 주요 작용 기전은 다음과 같습니다.

① 소결 첨가제로서 복합 재료의 소결을 촉진하고 기공률을 감소시킬 수 있습니다. 소결 첨가제를 첨가하면 고온에서 액상을 생성하여 복합 재료의 소결 온도를 낮추고, 소결 과정에서 재료의 고온 분해를 억제하며, 액상 소결을 통해 치밀한 복합 재료를 얻을 수 있습니다. 희토류 산화물은 높은 안정성, 약한 고온 휘발성, 높은 녹는점과 끓는점을 가지고 있어 다른 원료와 유리상을 형성하여 소결을 촉진할 수 있어 효과적인 첨가제입니다. 동시에 희토류 산화물은 세라믹 매트릭스와 고용체를 형성하여 내부에 결정 결함을 생성하고, 격자를 활성화하여 소결을 촉진할 수 있습니다.

② 미세구조 개선 및 결정립 크기 미세화. 첨가된 희토류 산화물은 주로 기지의 결정립계에 존재하고 부피가 크기 때문에 구조 내 이동 저항성이 높고, 다른 이온의 이동을 방해하여 결정립계의 이동 속도를 감소시키고, 결정립 성장을 억제하며, 고온 소결 시 결정립의 이상 성장을 억제합니다. 작고 균일한 결정립을 얻을 수 있어 치밀한 구조 형성에 유리합니다. 한편, 희토류 산화물을 도핑하면 결정립계 유리상 내로 유입되어 유리상의 강도를 향상시키고, 궁극적으로 재료의 기계적 특성 향상이라는 목표를 달성할 수 있습니다.

고분자 매트릭스 복합재의 희토류 원소는 주로 고분자 매트릭스의 특성을 향상시켜 복합재에 영향을 미칩니다. 희토류 산화물은 고분자의 열분해 온도를 높이고, 희토류 카르복실산염은 폴리염화비닐의 열 안정성을 향상시킵니다. 폴리스티렌에 희토류 화합물을 도핑하면 폴리스티렌의 안정성을 향상시키고 충격 강도와 굽힘 강도를 크게 높일 수 있습니다.