تطبيقالعناصر الأرضية النادرةفي المواد المركبة
تتميز العناصر الأرضية النادرة بتركيب إلكتروني فريد من نوعه 4f، وعزم مغناطيسي ذري كبير، وترابط دوراني قوي، وخصائص أخرى. عند تكوين معقدات مع عناصر أخرى، يمكن أن يتراوح رقم تنسيقها بين 6 و12. تتميز مركبات العناصر الأرضية النادرة بتركيبات بلورية متنوعة. تجعلها خصائصها الفيزيائية والكيميائية المميزة تُستخدم على نطاق واسع في صهر الفولاذ عالي الجودة والمعادن غير الحديدية، والزجاج الخاص، والسيراميك عالي الأداء، ومواد المغناطيس الدائم، ومواد تخزين الهيدروجين، والمواد المضيئة والليزر، والمواد النووية، وغيرها من المجالات. مع التطور المستمر للمواد المركبة، توسع استخدام العناصر الأرضية النادرة ليشمل مجال المواد المركبة، مما جذب اهتمامًا واسعًا لتحسين خصائص السطح البيني بين المواد غير المتجانسة.
تشمل أشكال التطبيق الرئيسية للعناصر الأرضية النادرة في تحضير المواد المركبة ما يلي: ① الإضافةالمعادن الأرضية النادرةللمواد المركبة؛ ② أضف في شكلأكاسيد العناصر الأرضية النادرةإلى المواد المركبة؛ ③ تُستخدم البوليمرات المُشَوَّبة أو المُرَبَطَة بالمعادن الأرضية النادرة في البوليمرات كمواد مصفوفة في المواد المركبة. من بين الأشكال الثلاثة المذكورة أعلاه لتطبيقات المعادن النادرة، يُضاف الشكلان الأولان غالبًا إلى مركبات المصفوفة المعدنية، بينما يُطبق الشكل الثالث بشكل رئيسي على مركبات مصفوفة البوليمر، ويُضاف مركبات المصفوفة الخزفية بشكل رئيسي إلى الشكل الثاني.
العناصر الأرضية النادرةيعمل بشكل أساسي على مصفوفة المعدن ومصفوفة السيراميك المركبة في شكل إضافات ومثبتات وإضافات التلبيد، مما يحسن أدائها بشكل كبير ويقلل تكاليف الإنتاج ويجعل تطبيقها الصناعي ممكنًا.
تُسهم إضافة العناصر الأرضية النادرة كمواد مضافة إلى المواد المركبة بشكل رئيسي في تحسين أداء واجهة المواد المركبة وتحسين جودة حبيبات المصفوفة المعدنية. آلية العمل هي كما يلي:
① تحسين قابلية البلل بين المصفوفة المعدنية وطور التعزيز. السالبية الكهربية للعناصر الأرضية النادرة منخفضة نسبيًا (كلما انخفضت السالبية الكهربية للمعادن، زادت السالبية الكهربية لللافلزات). على سبيل المثال، تبلغ السالبية الكهربية لللانيوم 1.1، والسالبية الكهربية للسيريوم 1.12، والسالبية الكهربية لليود 1.22. أما السالبية الكهربية للمعدن الأساسي الشائع Fe فهي 1.83، والنيكل 1.91، والألمنيوم 1.61. لذلك، تُمتص العناصر الأرضية النادرة بشكل تفضيلي على حدود حبيبات المصفوفة المعدنية وطور التعزيز أثناء عملية الصهر، مما يقلل من طاقة سطحها، ويزيد من قوة التصاقها، ويقلل زاوية البلل، وبالتالي يُحسّن قابلية البلل بين المصفوفة وطور التعزيز. وقد أظهرت الأبحاث أن إضافة عنصر اللانيوم إلى مصفوفة الألومنيوم يُحسّن بشكل فعال قابلية البلل لـ Al2O2 وسائل الألومنيوم، ويُحسّن البنية الدقيقة للمواد المركبة.
٢- تعزيز تحسين حبيبات المصفوفة المعدنية. ذوبانية العناصر الأرضية النادرة في بلورات المعادن ضئيلة، نظرًا لكبر نصف قطرها الذري، وصغر نصف قطرها الذري نسبيًا. دخول عناصر أرضية نادرة ذات نصف قطر أكبر إلى شبكة المصفوفة سيسبب تشوهًا فيها، مما يزيد من طاقة النظام. وللحفاظ على أدنى طاقة حرة، لا يمكن لذرات العناصر الأرضية النادرة أن تُثري إلا باتجاه حدود الحبيبات غير المنتظمة، مما يعيق إلى حد ما النمو الحر لحبيبات المصفوفة. في الوقت نفسه، ستمتص العناصر الأرضية النادرة المُثرية أيضًا عناصر السبائك الأخرى، مما يزيد من تدرج تركيز عناصر السبائك، ويسبب انخفاضًا في تبريد المكونات المحلية، ويعزز تأثير التنوي غير المتجانس لمصفوفة المعدن السائل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتبريد غير المتجانس الناتج عن فصل العناصر أن يعزز تكوين مركبات منفصلة، لتصبح جزيئات تنوي غير متجانسة فعالة، مما يعزز تحسين حبيبات المصفوفة المعدنية.
③ تنقية حدود الحبيبات. نظرًا للتقارب القوي بين العناصر الأرضية النادرة وعناصر مثل O، S، P، N، إلخ، فإن الطاقة الحرة القياسية لتكوين الأكاسيد والكبريتيدات والفوسفيدات والنتريدات منخفضة. تتميز هذه المركبات بنقطة انصهار عالية وكثافة منخفضة، ويمكن إزالة بعضها بالطفو من سائل السبائك، بينما يتوزع بعضها الآخر بالتساوي داخل الحبيبات، مما يقلل من فصل الشوائب عند حدود الحبيبات، وبالتالي تنقية حدود الحبيبات وتحسين متانتها.
تجدر الإشارة إلى أنه بسبب النشاط العالي ونقطة الانصهار المنخفضة للمعادن الأرضية النادرة، عند إضافتها إلى مركب مصفوفة معدنية، يجب التحكم بشكل خاص في اتصالها بالأكسجين أثناء عملية الإضافة.
أثبتت العديد من التجارب أن إضافة أكاسيد العناصر الأرضية النادرة كمثبتات، ومساعدات في التلبيد، ومعدلات تشويب لمختلف أنواع المواد المركبة ذات المصفوفة المعدنية والسيراميكية، يمكن أن يُحسّن بشكل كبير من قوة ومتانة المواد، ويُخفّض درجة حرارة التلبيد، وبالتالي يُخفّض تكاليف الإنتاج. وتتمثل آلية عملها الرئيسية فيما يلي:
① كمُضاف للتلبيد، يُمكنه تعزيز التلبيد وتقليل المسامية في المواد المُركبة. تهدف إضافة مُضافات التلبيد إلى توليد طور سائل عند درجات حرارة عالية، وخفض درجة تلبيد المواد المُركبة، ومنع تحلل المواد في درجات حرارة عالية أثناء عملية التلبيد، والحصول على مواد مُركبة كثيفة من خلال التلبيد في الطور السائل. بفضل ثباتها العالي، وتقلبها الضعيف في درجات الحرارة العالية، ودرجات انصهارها وغليانها العالية، يُمكن لأكاسيد الأتربة النادرة تكوين أطوار زجاجية مع مواد خام أخرى، وتعزيز التلبيد، مما يجعلها مُضافًا فعالًا. في الوقت نفسه، يُمكن لأكاسيد الأتربة النادرة أيضًا تكوين محلول صلب مع المصفوفة الخزفية، مما قد يُسبب عيوبًا بلورية في الداخل، ويُنشط الشبكة، ويُعزز التلبيد.
٢- تحسين البنية الدقيقة وحجم الحبيبات. نظرًا لوجود أكاسيد العناصر الأرضية النادرة المضافة بشكل رئيسي عند حدود حبيبات المصفوفة، وبسبب حجمها الكبير، تتمتع أكاسيد العناصر الأرضية النادرة بمقاومة عالية للهجرة في البنية، كما أنها تعيق هجرة الأيونات الأخرى، مما يقلل من معدل هجرة حدود الحبيبات، ويمنع نموها، ويمنع نموها غير الطبيعي أثناء التلبيد في درجات حرارة عالية. ويمكن الحصول على حبيبات صغيرة وموحدة، مما يُسهم في تكوين هياكل كثيفة. من ناحية أخرى، عن طريق تطعيم أكاسيد العناصر الأرضية النادرة، تدخل طور الزجاج الحدودي للحبيبات، مما يُحسّن من متانة الطور الزجاجي، وبالتالي يُحقق هدف تحسين الخواص الميكانيكية للمادة.
تؤثر العناصر الأرضية النادرة في مركبات مصفوفة البوليمر بشكل رئيسي على خصائص مصفوفة البوليمر. يمكن لأكاسيد العناصر الأرضية النادرة أن تزيد من درجة حرارة التحلل الحراري للبوليمرات، بينما يمكن لكربوكسيلات العناصر الأرضية النادرة أن تُحسّن الاستقرار الحراري لكلوريد البولي فينيل. يمكن أن يُحسّن تطعيم البوليسترين بمركبات أرضية نادرة استقراره ويزيد بشكل كبير من مقاومته للصدمات والانحناء.
وقت النشر: ٢٦ أبريل ٢٠٢٣