การประยุกต์ธาตุหายากในวัสดุคอมโพสิต

การประยุกต์ใช้ของโลกที่หายากในวัสดุคอมโพสิต
ธาตุหายากมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ 4f ที่เป็นเอกลักษณ์ โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมขนาดใหญ่ สปินคัปปลิ้งที่แข็งแกร่ง และคุณลักษณะอื่นๆ เมื่อสร้างสารเชิงซ้อนกับองค์ประกอบอื่น หมายเลขประสานงานอาจแตกต่างกันตั้งแต่ 6 ถึง 12 สารประกอบของธาตุหายากมีโครงสร้างผลึกที่หลากหลาย คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีพิเศษของธาตุหายากทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการถลุงเหล็กคุณภาพสูงและโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก แก้วพิเศษและเซรามิกประสิทธิภาพสูง วัสดุแม่เหล็กถาวร วัสดุกักเก็บไฮโดรเจน วัสดุเรืองแสงและเลเซอร์ วัสดุนิวเคลียร์ และสาขาอื่นๆ ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิต การใช้แร่หายากได้ขยายไปสู่สาขาวัสดุคอมโพสิต ซึ่งดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวางในการปรับปรุงคุณสมบัติส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุที่ต่างกัน

รูปแบบการใช้งานหลักของธาตุหายากในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต ได้แก่: 1 การเติมโลหะธาตุหายากถึงวัสดุคอมโพสิต ② เพิ่มในรูปของออกไซด์ของธาตุหายากกับวัสดุคอมโพสิต 3 โพลีเมอร์ที่เจือหรือเชื่อมกับโลหะหายากในโพลีเมอร์จะถูกใช้เป็นวัสดุเมทริกซ์ในวัสดุผสม ในบรรดารูปแบบการใช้งาน Rare Earth สามรูปแบบข้างต้น สองรูปแบบแรกส่วนใหญ่จะเพิ่มลงในคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ ในขณะที่รูปแบบที่สามส่วนใหญ่จะนำไปใช้กับคอมโพสิตเมทริกซ์โพลีเมอร์ และคอมโพสิตเซรามิกเมทริกซ์จะถูกเพิ่มในรูปแบบที่สองเป็นหลัก

แผ่นดินหายากส่วนใหญ่ทำหน้าที่กับเมทริกซ์โลหะและเซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิตในรูปแบบของสารเติมแต่ง สารเพิ่มความคงตัว และสารเติมแต่งการเผาผนึก ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมาก ลดต้นทุนการผลิต และทำให้การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเป็นไปได้

การเติมธาตุหายากเป็นสารเติมแต่งในวัสดุคอมโพสิตส่วนใหญ่มีบทบาทในการปรับปรุงประสิทธิภาพส่วนต่อประสานของวัสดุคอมโพสิต และส่งเสริมการปรับแต่งเกรนเมทริกซ์โลหะ กลไกการออกฤทธิ์มีดังนี้

1. ปรับปรุงความสามารถในการเปียกระหว่างเมทริกซ์โลหะและเฟสเสริมแรง อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของธาตุหายากจะค่อนข้างต่ำ (ยิ่งอิเล็กโทรเนกาติวีตี้ของโลหะมีค่าน้อยเท่าใด อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของอโลหะก็จะยิ่งมีปฏิกิริยามากขึ้นเท่านั้น) ตัวอย่างเช่น La คือ 1.1, Ce คือ 1.12 และ Y คือ 1.22 อิเลคโตรเนกาติวีตี้ของโลหะฐานทั่วไป Fe คือ 1.83, Ni คือ 1.91 และ Al คือ 1.61 ดังนั้น ธาตุหายากจะดูดซับบนขอบเขตเกรนของเมทริกซ์โลหะและขั้นตอนการเสริมแรงในระหว่างกระบวนการถลุงเป็นพิเศษ ซึ่งจะช่วยลดพลังงานของส่วนต่อประสาน เพิ่มการยึดเกาะของส่วนต่อประสาน ลดมุมเปียก และด้วยเหตุนี้จึงปรับปรุงความสามารถในการเปียกระหว่างเมทริกซ์ และระยะการเสริมกำลัง การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มองค์ประกอบ La ลงในเมทริกซ์อะลูมิเนียมช่วยเพิ่มความสามารถในการเปียกของ AlO และของเหลวอะลูมิเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ และปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของวัสดุคอมโพสิต

2. ส่งเสริมการปรับแต่งเกรนเมทริกซ์โลหะ ความสามารถในการละลายของธาตุหายากในผลึกโลหะมีขนาดเล็ก เนื่องจากรัศมีอะตอมของธาตุหายากมีขนาดใหญ่ และรัศมีอะตอมของเมทริกซ์โลหะมีขนาดค่อนข้างเล็ก การเข้ามาของธาตุหายากที่มีรัศมีมากกว่าเข้าไปในโครงตาข่ายเมทริกซ์จะทำให้เกิดการบิดเบือนของโครงตาข่าย ซึ่งจะทำให้พลังงานของระบบเพิ่มขึ้น เพื่อรักษาพลังงานอิสระที่ต่ำที่สุด อะตอมของธาตุหายากสามารถเพิ่มคุณค่าให้กับขอบเขตของเมล็ดพืชที่ไม่ปกติเท่านั้น ซึ่งขัดขวางการเติบโตอย่างอิสระของเมล็ดเมทริกซ์ในระดับหนึ่ง ในเวลาเดียวกัน ธาตุหายากที่ได้รับการเสริมสมรรถนะจะดูดซับธาตุโลหะผสมอื่นๆ ด้วยเช่นกัน โดยเพิ่มการไล่ระดับความเข้มข้นของธาตุโลหะผสม ส่งผลให้ส่วนประกอบในท้องถิ่นเย็นลง และเพิ่มผลกระทบจากนิวเคลียสที่ต่างกันของเมทริกซ์โลหะเหลว นอกจากนี้ การระบายความร้อนอันเดอร์คูลที่เกิดจากการแยกธาตุยังสามารถส่งเสริมการก่อตัวของสารประกอบที่แยกจากกันและกลายเป็นอนุภาคนิวคลีเอชันที่แตกต่างกันอย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงส่งเสริมการปรับแต่งเกรนเมทริกซ์โลหะ

3. ทำความสะอาดขอบเขตของเมล็ดข้าวให้บริสุทธิ์ เนื่องจากความสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นระหว่างธาตุหายากและธาตุต่างๆ เช่น O, S, P, N ฯลฯ พลังงานอิสระมาตรฐานในการสร้างออกไซด์ ซัลไฟด์ ฟอสไฟด์ และไนไตรด์จึงต่ำ สารประกอบเหล่านี้มีจุดหลอมเหลวสูงและความหนาแน่นต่ำ บางส่วนสามารถกำจัดออกได้โดยการลอยขึ้นจากของเหลวโลหะผสม ในขณะที่สารประกอบอื่นๆ มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอภายในเมล็ดพืช ลดการแยกตัวของสิ่งเจือปนที่ขอบเขตของเมล็ดพืช จึงทำให้ขอบเขตของเมล็ดพืชบริสุทธิ์และ ปรับปรุงความแข็งแกร่งของมัน

ควรสังเกตว่าเนื่องจากมีกิจกรรมสูงและจุดหลอมเหลวต่ำของโลหะหายาก เมื่อเติมโลหะเหล่านี้ลงในคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ การสัมผัสกับออกซิเจนจึงต้องได้รับการควบคุมเป็นพิเศษในระหว่างกระบวนการเติม

แนวทางปฏิบัติจำนวนมากได้พิสูจน์แล้วว่าการเพิ่มแรร์เอิร์ธออกไซด์เป็นตัวเพิ่มความคงตัว สารช่วยในการเผาผนึก และตัวปรับเปลี่ยนสารเติมแต่งให้กับเมทริกซ์โลหะและเมทริกซ์คอมโพสิตเซรามิกที่แตกต่างกันสามารถปรับปรุงความแข็งแรงและความเหนียวของวัสดุได้อย่างมาก ลดอุณหภูมิในการเผาผนึก และลดต้นทุนการผลิตด้วย กลไกหลักของการออกฤทธิ์มีดังนี้

1 เป็นสารเติมแต่งสำหรับการเผาผนึก ซึ่งสามารถส่งเสริมการเผาผนึกและลดความพรุนในวัสดุคอมโพสิต การเติมสารเติมแต่งการเผาผนึกคือการสร้างเฟสของเหลวที่อุณหภูมิสูง ลดอุณหภูมิการเผาผนึกของวัสดุคอมโพสิต ยับยั้งการสลายตัวที่อุณหภูมิสูงของวัสดุในระหว่างกระบวนการเผาผนึก และรับวัสดุคอมโพสิตที่มีความหนาแน่นผ่านการเผาผนึกในเฟสของเหลว เนื่องจากมีเสถียรภาพสูง ความผันผวนที่อุณหภูมิสูงต่ำ และมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงของออกไซด์ของแรร์เอิร์ธออกไซด์ จึงสามารถสร้างเฟสแก้วด้วยวัตถุดิบอื่นๆ และส่งเสริมการเผาผนึก ทำให้สารเหล่านี้เป็นสารเติมแต่งที่มีประสิทธิภาพ ในเวลาเดียวกัน แรร์เอิร์ธออกไซด์ยังสามารถสร้างสารละลายของแข็งด้วยเมทริกซ์เซรามิก ซึ่งสามารถสร้างข้อบกพร่องของคริสตัลภายใน กระตุ้นโครงตาข่าย และส่งเสริมการเผาผนึก

2. ปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคและปรับแต่งขนาดเกรน เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าแรร์เอิร์ธออกไซด์ที่เพิ่มเข้ามาส่วนใหญ่อยู่ที่ขอบเขตเกรนของเมทริกซ์ และเนื่องจากมีปริมาตรมาก ออกไซด์ของแรร์เอิร์ธจึงมีความต้านทานการอพยพสูงในโครงสร้าง และยังขัดขวางการอพยพของไอออนอื่น ๆ จึงช่วยลด อัตราการย้ายถิ่นของขอบเขตเมล็ดพืช ยับยั้งการเจริญเติบโตของเมล็ดพืช และขัดขวางการเจริญเติบโตที่ผิดปกติของเมล็ดพืชในระหว่างการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง พวกเขาสามารถได้รับเมล็ดขนาดเล็กและสม่ำเสมอซึ่งเอื้อต่อการก่อตัวของโครงสร้างที่หนาแน่น ในทางกลับกัน ด้วยการเติมออกไซด์ของธาตุหายาก พวกมันจะเข้าสู่เฟสแก้วขอบเขตเกรน ปรับปรุงความแข็งแรงของเฟสแก้ว และบรรลุเป้าหมายในการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ

ธาตุหายากในคอมโพสิตเมทริกซ์โพลีเมอร์ส่งผลกระทบส่วนใหญ่โดยการปรับปรุงคุณสมบัติของเมทริกซ์โพลีเมอร์ ออกไซด์ของธาตุหายากสามารถเพิ่มอุณหภูมิการสลายตัวเนื่องจากความร้อนของโพลีเมอร์ได้ ในขณะที่คาร์บอกซิเลตของธาตุหายากสามารถปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของโพลีไวนิลคลอไรด์ได้ การเติมโพลีสไตรีนด้วยสารประกอบของธาตุหายากสามารถปรับปรุงความเสถียรของโพลีสไตรีน และเพิ่มความต้านทานแรงกระแทกและความแข็งแรงในการดัดงอได้อย่างมาก