การประยุกต์ใช้ธาตุหายากในวัสดุคอมโพสิต

การประยุกต์ใช้งานแร่ธาตุหายากในวัสดุคอมโพสิต
ธาตุหายากมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ 4f ที่เป็นเอกลักษณ์ โมเมนต์แม่เหล็กอะตอมขนาดใหญ่ สปินคัปปลิ้งที่แข็งแกร่ง และลักษณะอื่นๆ เมื่อสร้างสารเชิงซ้อนกับธาตุอื่นๆ หมายเลขการประสานงานของพวกมันสามารถแตกต่างกันไปตั้งแต่ 6 ถึง 12 สารประกอบของธาตุหายากมีโครงสร้างผลึกที่หลากหลาย คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีพิเศษของธาตุหายากทำให้พวกมันถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการหลอมเหล็กคุณภาพสูงและโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก แก้วพิเศษและเซรามิกประสิทธิภาพสูง วัสดุแม่เหล็กถาวร วัสดุกักเก็บไฮโดรเจน วัสดุเรืองแสงและเลเซอร์ วัสดุนิวเคลียร์ และสาขาอื่นๆ ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิต การใช้ธาตุหายากก็ขยายไปสู่สาขาของวัสดุคอมโพสิตเช่นกัน ดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวางในการปรับปรุงคุณสมบัติอินเทอร์เฟซระหว่างวัสดุที่มีความหลากหลาย

รูปแบบการใช้งานหลักของแร่ธาตุหายากในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต ได้แก่: ① การเติมโลหะหายากสู่วัสดุผสม ② เพิ่มในรูปแบบออกไซด์ของธาตุหายาก③ พอลิเมอร์ที่เจือหรือเชื่อมกับโลหะหายากในพอลิเมอร์ใช้เป็นวัสดุเมทริกซ์ในวัสดุคอมโพสิต ในบรรดารูปแบบการใช้งานแรร์เอิร์ธทั้งสามรูปแบบข้างต้นนั้น รูปแบบแรกสองรูปแบบส่วนใหญ่จะถูกเติมลงในคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ ในขณะที่รูปแบบที่สามนั้นส่วนใหญ่จะใช้กับคอมโพสิตเมทริกซ์โพลิเมอร์ และคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกนั้นส่วนใหญ่จะถูกเติมลงในรูปแบบที่สอง

แร่ธาตุหายากส่วนใหญ่ทำหน้าที่กับเมทริกซ์โลหะและเมทริกซ์เซรามิกคอมโพสิตในรูปแบบของสารเติมแต่ง สารทำให้คงตัว และสารเติมแต่งการเผาผนึก ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมาก ลดต้นทุนการผลิต และทำให้สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมได้

การเติมธาตุหายากเป็นสารเติมแต่งในวัสดุคอมโพสิตมีบทบาทหลักในการปรับปรุงประสิทธิภาพอินเทอร์เฟซของวัสดุคอมโพสิตและส่งเสริมการปรับปรุงคุณภาพของเมล็ดเมทริกซ์โลหะ กลไกการทำงานมีดังนี้

① ปรับปรุงความสามารถในการเปียกระหว่างเมทริกซ์โลหะและเฟสเสริมแรง อิเล็กโตรเนกาติวิตี้ของธาตุหายากค่อนข้างต่ำ (ยิ่งอิเล็กโตรเนกาติวิตี้ของโลหะน้อยเท่าใด อิเล็กโตรเนกาติวิตี้ของอโลหะก็ยิ่งมีการทำงานมากขึ้นเท่านั้น) ตัวอย่างเช่น La เท่ากับ 1.1, Ce เท่ากับ 1.12 และ Y เท่ากับ 1.22 อิเล็กโตรเนกาติวิตี้ของโลหะพื้นฐานทั่วไป Fe เท่ากับ 1.83, Ni เท่ากับ 1.91 และ Al เท่ากับ 1.61 ดังนั้น ธาตุหายากจะดูดซับบนขอบเกรนของเมทริกซ์โลหะและเฟสเสริมแรงในระหว่างกระบวนการหลอม ลดพลังงานอินเทอร์เฟซ เพิ่มงานการยึดเกาะของอินเทอร์เฟซ ลดมุมเปียก และปรับปรุงความสามารถในการเปียกระหว่างเมทริกซ์และเฟสเสริมแรง การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มธาตุ La ลงในเมทริกซ์อลูมิเนียมช่วยปรับปรุงความสามารถในการเปียกของ Al2O3 และของเหลวอลูมิเนียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ และปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของวัสดุคอมโพสิต

② ส่งเสริมการกลั่นเมล็ดเมทริกซ์โลหะ ความสามารถในการละลายของธาตุหายากในผลึกโลหะมีขนาดเล็ก เนื่องจากรัศมีอะตอมของธาตุหายากมีขนาดใหญ่ และรัศมีอะตอมของเมทริกซ์โลหะค่อนข้างเล็ก การที่ธาตุหายากที่มีรัศมีใหญ่กว่าเข้าไปในโครงตาข่ายเมทริกซ์จะทำให้โครงตาข่ายเกิดการบิดเบือน ซึ่งจะเพิ่มพลังงานของระบบ เพื่อรักษาพลังงานอิสระที่ต่ำที่สุด อะตอมของธาตุหายากสามารถเสริมกำลังได้เฉพาะบริเวณขอบเมล็ดที่ไม่สม่ำเสมอเท่านั้น ซึ่งในระดับหนึ่งจะขัดขวางการเติบโตอิสระของเมล็ดเมทริกซ์ ในเวลาเดียวกัน ธาตุหายากที่เสริมกำลังยังจะดูดซับธาตุโลหะผสมอื่นๆ เพิ่มการไล่ระดับความเข้มข้นของธาตุโลหะผสม ทำให้ส่วนประกอบในพื้นที่เย็นลง และเพิ่มเอฟเฟกต์นิวเคลียสที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันของเมทริกซ์โลหะเหลว นอกจากนี้ ความเย็นลงที่เกิดจากการแยกตัวของธาตุยังสามารถส่งเสริมการก่อตัวของสารประกอบที่แยกจากกันและกลายเป็นอนุภาคนิวเคลียสที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันที่มีประสิทธิภาพ จึงส่งเสริมการกลั่นเมล็ดเมทริกซ์โลหะ

③ การทำให้ขอบเกรนบริสุทธิ์ เนื่องจากความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างธาตุหายากและธาตุต่างๆ เช่น O, S, P, N เป็นต้น พลังงานอิสระมาตรฐานในการก่อตัวของออกไซด์ ซัลไฟด์ ฟอสไฟด์ และไนไตรด์จึงต่ำ สารประกอบเหล่านี้มีจุดหลอมเหลวสูงและความหนาแน่นต่ำ ซึ่งบางส่วนสามารถกำจัดออกได้โดยการลอยขึ้นจากของเหลวของโลหะผสม ในขณะที่บางส่วนกระจายอย่างสม่ำเสมอภายในเกรน ทำให้การแยกตัวของสิ่งเจือปนที่ขอบเกรนลดลง จึงทำให้ขอบเกรนบริสุทธิ์และเพิ่มความแข็งแรง

ควรสังเกตว่าเนื่องจากโลหะหายากมีกิจกรรมสูงและจุดหลอมเหลวต่ำ เมื่อเติมลงในคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ จำเป็นต้องควบคุมการสัมผัสกับออกซิเจนเป็นพิเศษในระหว่างกระบวนการเติม

แนวทางปฏิบัติจำนวนมากได้พิสูจน์แล้วว่าการเพิ่มออกไซด์ของธาตุหายากเป็นตัวทำให้เสถียร ตัวช่วยในการเผาผนึก และตัวปรับเปลี่ยนการเจือปนในเมทริกซ์โลหะและเมทริกซ์เซรามิกคอมโพสิตที่แตกต่างกันสามารถปรับปรุงความแข็งแรงและความเหนียวของวัสดุ ลดอุณหภูมิการเผาผนึก และลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก กลไกหลักของการกระทำดังกล่าวมีดังนี้

① เนื่องจากเป็นสารเติมแต่งการเผาผนึก จึงสามารถส่งเสริมการเผาผนึกและลดรูพรุนในวัสดุคอมโพสิตได้ การเติมสารเติมแต่งการเผาผนึกจะช่วยสร้างเฟสของเหลวที่อุณหภูมิสูง ลดอุณหภูมิการเผาผนึกของวัสดุคอมโพสิต ยับยั้งการสลายตัวที่อุณหภูมิสูงของวัสดุระหว่างกระบวนการเผาผนึก และทำให้ได้วัสดุคอมโพสิตที่มีความหนาแน่นผ่านการเผาผนึกเฟสของเหลว เนื่องจากออกไซด์ของแรร์เอิร์ธมีเสถียรภาพสูง ความผันผวนที่อุณหภูมิสูงที่อ่อนแอ และจุดหลอมเหลวและจุดเดือดที่สูง จึงสามารถสร้างเฟสแก้วร่วมกับวัตถุดิบอื่นๆ และส่งเสริมการเผาผนึก ทำให้เป็นสารเติมแต่งที่มีประสิทธิภาพ ในเวลาเดียวกัน ออกไซด์ของแรร์เอิร์ธยังสามารถสร้างสารละลายของแข็งร่วมกับเมทริกซ์เซรามิก ซึ่งสามารถสร้างข้อบกพร่องของผลึกภายใน กระตุ้นโครงตาข่าย และส่งเสริมการเผาผนึก

② ปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคและปรับขนาดเกรนให้ละเอียดขึ้น เนื่องจากออกไซด์ของแรร์เอิร์ธที่เพิ่มเข้าไปส่วนใหญ่มีอยู่ที่ขอบเกรนของเมทริกซ์ และเนื่องจากมีปริมาตรมาก ออกไซด์ของแรร์เอิร์ธจึงมีความต้านทานการเคลื่อนตัวสูงในโครงสร้าง และยังขัดขวางการเคลื่อนตัวของไอออนอื่นๆ อีกด้วย จึงลดอัตราการเคลื่อนตัวของขอบเกรน ยับยั้งการเติบโตของเกรน และขัดขวางการเติบโตผิดปกติของเกรนระหว่างการเผาที่อุณหภูมิสูง พวกมันสามารถได้เกรนขนาดเล็กและสม่ำเสมอ ซึ่งเอื้อต่อการก่อตัวของโครงสร้างที่หนาแน่น ในทางกลับกัน โดยการเจือปนออกไซด์ของแรร์เอิร์ธ พวกมันจะเข้าสู่เฟสแก้วที่ขอบเกรน ปรับปรุงความแข็งแรงของเฟสแก้ว และด้วยเหตุนี้จึงบรรลุเป้าหมายในการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ

ธาตุหายากในสารประกอบเมทริกซ์โพลิเมอร์ส่งผลกระทบหลักต่อธาตุเหล่านี้โดยการปรับปรุงคุณสมบัติของเมทริกซ์โพลิเมอร์ ออกไซด์ของธาตุหายากสามารถเพิ่มอุณหภูมิการสลายตัวทางความร้อนของโพลิเมอร์ ในขณะที่คาร์บอกซิเลตของธาตุหายากสามารถปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของโพลีไวนิลคลอไรด์ การเจือสารธาตุหายากลงในโพลีสไตรีนสามารถปรับปรุงเสถียรภาพของโพลีสไตรีนและเพิ่มความแข็งแรงในการรับแรงกระแทกและความแข็งแรงในการดัดได้อย่างมาก