อิทธิพลของออกไซด์ของธาตุหายากในสารเคลือบเซรามิกคืออะไร?

เซรามิก วัสดุโลหะ และวัสดุโพลีเมอร์ ถูกจัดอยู่ในรายชื่อวัสดุแข็งหลักสามประเภท เซรามิกมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมมากมาย เช่น ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อการสึกหรอ เป็นต้น เนื่องจากโหมดพันธะอะตอมของเซรามิกคือพันธะไอออนิก พันธะโควาเลนต์ หรือพันธะไอออน-โควาเลนต์ผสมที่มีพลังงานพันธะสูง การเคลือบเซรามิกสามารถเปลี่ยนลักษณะ โครงสร้าง และประสิทธิภาพของพื้นผิวด้านนอกของวัสดุพื้นฐานได้ วัสดุผสมเคลือบ-พื้นผิวเป็นที่นิยมเนื่องจากประสิทธิภาพใหม่ สามารถผสมผสานคุณสมบัติเดิมของพื้นผิวเข้ากับคุณสมบัติของวัสดุพื้นฐานที่มีความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการสึกหรอสูง และทนต่อการกัดกร่อนสูงของวัสดุเซรามิกได้อย่างเป็นธรรมชาติ และให้ประโยชน์อย่างเต็มที่กับข้อดีที่ครอบคลุมของวัสดุทั้งสองประเภท จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การบิน การป้องกันประเทศ อุตสาหกรรมเคมี และอุตสาหกรรมอื่นๆ

ธาตุหายากถูกเรียกว่า "ขุมทรัพย์" ของวัสดุใหม่ เนื่องจากมีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ 4f ที่เป็นเอกลักษณ์และคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี อย่างไรก็ตาม โลหะหายากบริสุทธิ์นั้นไม่ค่อยถูกนำมาใช้โดยตรงในการวิจัย และส่วนใหญ่แล้วจะใช้สารประกอบธาตุหายาก สารประกอบที่พบมากที่สุด ได้แก่ CeO2, La2O3, Y2O3, LaF3, CeF, CeS และธาตุหายากเฟอร์โรซิลิกอน สารประกอบธาตุหายากเหล่านี้สามารถปรับปรุงโครงสร้างและคุณสมบัติของวัสดุเซรามิกและสารเคลือบเซรามิกได้

การประยุกต์ใช้ออกไซด์ของธาตุหายากในวัสดุเซรามิก

การเติมธาตุหายากเป็นสารทำให้คงตัวและสารช่วยการเผาผนึกลงในเซรามิกต่างๆ สามารถลดอุณหภูมิการเผาผนึก ปรับปรุงความแข็งแรงและความเหนียวของเซรามิกโครงสร้างบางชนิด และลดต้นทุนการผลิตได้ ในเวลาเดียวกัน ธาตุหายากยังมีบทบาทสำคัญมากในเซ็นเซอร์แก๊สเซมิคอนดักเตอร์ สื่อไมโครเวฟ เซรามิกเพียโซอิเล็กทริก และเซรามิกฟังก์ชันอื่นๆ การวิจัยพบว่าการเติมออกไซด์ของหายากสองชนิดขึ้นไปลงในเซรามิกอะลูมินาด้วยกันนั้นดีกว่าการเติมออกไซด์ของหายากเพียงชนิดเดียวลงในเซรามิกอะลูมินา หลังจากการทดสอบการปรับให้เหมาะสมแล้ว Y2O3+CeO2 จะให้ผลดีที่สุด เมื่อเติม 0.2%Y2O3+0.2%CeO2 ที่อุณหภูมิ 1,490 องศาเซลเซียส ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของตัวอย่างที่เผาผนึกสามารถสูงถึง 96.2% ซึ่งเกินความหนาแน่นของตัวอย่างที่มีออกไซด์ของหายาก Y2O3 หรือ CeO2 เพียงอย่างเดียว

ผลของ La2O3+Y2O3, Sm2O3+La2O3 ในการส่งเสริมการเผาผนึกนั้นดีกว่าการเติม La2O3 เพียงอย่างเดียว และเห็นได้ชัดว่ามีความทนทานต่อการสึกหรอที่ดีขึ้น นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าการผสมออกไซด์ของแรร์เอิร์ธสองชนิดนั้นไม่ใช่การเติมแบบง่ายๆ แต่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างทั้งสอง ซึ่งมีประโยชน์ต่อการเผาผนึกและการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซรามิกอะลูมินามากกว่า แต่หลักการนี้ยังต้องมีการศึกษาต่อไป

นอกจากนี้ ยังพบว่าการเพิ่มออกไซด์ของโลหะหายากผสมเป็นตัวช่วยการเผาผนึกสามารถปรับปรุงการเคลื่อนตัวของวัสดุ ส่งเสริมการเผาผนึกของเซรามิก MgO และปรับปรุงความหนาแน่น อย่างไรก็ตาม เมื่อปริมาณออกไซด์ของโลหะหายากผสมเกิน 15% ความหนาแน่นสัมพัทธ์จะลดลงและรูพรุนแบบเปิดจะเพิ่มขึ้น

ประการที่สอง อิทธิพลของออกไซด์ของธาตุหายากต่อคุณสมบัติของสารเคลือบเซรามิก

งานวิจัยที่มีอยู่แสดงให้เห็นว่าธาตุหายากสามารถปรับขนาดเกรนให้ละเอียดขึ้น เพิ่มความหนาแน่น ปรับปรุงโครงสร้างจุลภาค และทำให้ส่วนต่อประสานบริสุทธิ์ ธาตุหายากมีบทบาทพิเศษในการปรับปรุงความแข็งแรง ความเหนียว ความแข็ง ความทนทานต่อการสึกหรอ และความต้านทานการกัดกร่อนของสารเคลือบเซรามิก ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของสารเคลือบเซรามิกในระดับหนึ่งและขยายขอบเขตการใช้งานของสารเคลือบเซรามิก

1

การปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของการเคลือบเซรามิกด้วยออกไซด์ของธาตุหายาก

ออกไซด์ของธาตุหายากสามารถปรับปรุงความแข็ง ความแข็งแรงในการดัด และความแข็งแรงในการยึดติดแรงดึงของสารเคลือบเซรามิกได้อย่างมีนัยสำคัญ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าความแข็งแรงในการยึดติดแรงดึงของสารเคลือบสามารถปรับปรุงได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้ Lao_2 เป็นสารเติมแต่งในวัสดุ Al2O3+3% TiO_2 และความแข็งแรงในการยึดติดแรงดึงสามารถไปถึง 27.36MPa เมื่อปริมาณของ Lao_2 อยู่ที่ 6.0% การเติม CeO2 ที่มีเศษส่วนมวล 3.0% และ 6.0% ลงในวัสดุ Cr2O3 ความแข็งแรงในการยึดติดแรงดึงของสารเคลือบจะอยู่ระหว่าง 18~25MPa ซึ่งมากกว่า 12~16MPa เดิม อย่างไรก็ตาม เมื่อมีปริมาณของ CeO2 อยู่ที่ 9.0% ความแข็งแรงในการยึดติดแรงดึงจะลดลงเหลือ 12~15MPa

2

การปรับปรุงความต้านทานการกระแทกจากความร้อนของสารเคลือบเซรามิกด้วยธาตุหายาก

การทดสอบความทนทานต่อแรงกระแทกจากความร้อนเป็นการทดสอบที่สำคัญเพื่อสะท้อนคุณภาพความแข็งแรงในการยึดติดระหว่างสารเคลือบและพื้นผิว และการจับคู่ของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนระหว่างสารเคลือบและพื้นผิว การทดสอบนี้สะท้อนโดยตรงถึงความสามารถของสารเคลือบในการต้านทานการลอกออกเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงสลับกันระหว่างการใช้งาน และยังสะท้อนถึงความสามารถของสารเคลือบในการต้านทานความเมื่อยล้าจากแรงกระแทกทางกล และความสามารถในการยึดติดกับพื้นผิวจากด้านข้าง ดังนั้น การทดสอบนี้จึงเป็นปัจจัยสำคัญในการตัดสินคุณภาพของสารเคลือบเซรามิกด้วย

งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเติม CeO2 3.0% สามารถลดรูพรุนและขนาดรูพรุนในสารเคลือบ และลดความเข้มข้นของความเค้นที่ขอบรูพรุน จึงทำให้สารเคลือบ Cr2O3 มีความทนทานต่อแรงกระแทกจากความร้อนดีขึ้น อย่างไรก็ตาม ความพรุนของสารเคลือบเซรามิก Al2O3 ลดลง และความแข็งแรงในการยึดเกาะและอายุการล้มเหลวจากการกระแทกจากความร้อนของสารเคลือบเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดหลังจากการเติม LaO2 เมื่อปริมาณ LaO2 ที่เติมลงไปคือ 6% (เศษส่วนมวล) ความต้านทานการกระแทกจากความร้อนของสารเคลือบจะดีที่สุด และอายุการล้มเหลวจากการกระแทกจากความร้อนสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 218 เท่า ในขณะที่อายุการล้มเหลวจากการกระแทกจากความร้อนของสารเคลือบที่ไม่มี LaO2 อยู่ที่เพียง 163 เท่าเท่านั้น

3

ออกไซด์ของธาตุหายากส่งผลต่อความต้านทานการสึกหรอของสารเคลือบ

ออกไซด์ของธาตุหายากที่ใช้เพื่อปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอของสารเคลือบเซรามิกส่วนใหญ่ได้แก่ CeO2 และ La2O3 โครงสร้างหกเหลี่ยมของออกไซด์เหล่านี้สามารถแสดงฟังก์ชันการหล่อลื่นที่ดีและรักษาคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียรที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของการเคลือบด้วย CeO2 ในปริมาณที่เหมาะสมนั้นมีขนาดเล็กและเสถียร มีรายงานว่าการเติม La2O3 ลงในการเคลือบเซอร์เมทที่ใช้พื้นฐานนิกเกิลที่พ่นด้วยพลาสมาสามารถลดการสึกหรอจากแรงเสียดทานและค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของการเคลือบได้อย่างชัดเจน และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะเสถียรโดยมีความผันผวนเพียงเล็กน้อย พื้นผิวที่สึกหรอของชั้นหุ้มที่ไม่มีแรร์เอิร์ธจะแสดงการยึดเกาะที่รุนแรงและรอยแตกและแตกร้าวแบบเปราะบาง อย่างไรก็ตาม การเคลือบที่มีแรร์เอิร์ธจะแสดงการยึดเกาะที่อ่อนแอบนพื้นผิวที่สึกหรอ และไม่มีสัญญาณของการแตกร้าวแบบเปราะบางในพื้นที่ขนาดใหญ่ โครงสร้างจุลภาคของการเคลือบที่เจือด้วยแรร์เอิร์ธมีความหนาแน่นและกะทัดรัดมากขึ้น และรูพรุนก็ลดลง ซึ่งจะช่วยลดแรงเสียดทานเฉลี่ยที่เกิดจากอนุภาคขนาดเล็ก และลดแรงเสียดทานและการสึกหรอ การเจือด้วยแรร์เอิร์ธยังสามารถเพิ่มระยะห่างของระนาบผลึกของเซอร์เมทได้อีกด้วย ซึ่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของแรงโต้ตอบระหว่างหน้าผลึกทั้งสอง และลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน

สรุป:

แม้ว่าออกไซด์ของแร่ธาตุหายากจะประสบความสำเร็จอย่างมากในการประยุกต์ใช้กับวัสดุเซรามิกและสารเคลือบซึ่งสามารถปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุเซรามิกและสารเคลือบได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังมีคุณสมบัติที่ยังไม่เป็นที่รู้จักอีกมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการลดแรงเสียดทานและการสึกหรอ วิธีทำให้ความแข็งแรงและความต้านทานการสึกหรอของวัสดุทำงานร่วมกับคุณสมบัติในการหล่อลื่นได้กลายมาเป็นแนวทางสำคัญที่ควรนำมาหารือในสาขาไตรโบโลยี

โทรศัพท์: +86-21-20970332อีเมล-info@shxlchem.com