تطبيق الأتربة النادرة في المواد المركبة

تطبيقالأرضية النادرةفي المواد المركبة
تتميز العناصر الأرضية النادرة ببنية إلكترونية فريدة من نوعها 4f، وعزم مغناطيسي ذري كبير، واقتران دوراني قوي وخصائص أخرى.عند تكوين مجمعات مع عناصر أخرى، يمكن أن يختلف رقم التنسيق الخاص بها من 6 إلى 12. تحتوي المركبات الأرضية النادرة على مجموعة متنوعة من الهياكل البلورية.الخصائص الفيزيائية والكيميائية الخاصة للأتربة النادرة تجعلها تستخدم على نطاق واسع في صهر الفولاذ عالي الجودة والمعادن غير الحديدية والزجاج الخاص والسيراميك عالي الأداء والمواد المغناطيسية الدائمة ومواد تخزين الهيدروجين والمواد الانارة والليزر والمواد النووية ، وغيرها من المجالات.مع التطور المستمر للمواد المركبة، توسع تطبيق العناصر الأرضية النادرة أيضًا ليشمل مجال المواد المركبة، مما جذب اهتمامًا واسع النطاق في تحسين خصائص الواجهة بين المواد غير المتجانسة.

تشمل نماذج التطبيق الرئيسية للأتربة النادرة في تحضير المواد المركبة ما يلي: ① الإضافةالمعادن الأرضية النادرةللمواد المركبة.② أضف في شكلأكاسيد الأرض النادرةإلى المادة المركبة؛③ تستخدم البوليمرات المشبعة أو المرتبطة بالمعادن الأرضية النادرة في البوليمرات كمواد أساسية في المواد المركبة.من بين الأشكال الثلاثة المذكورة أعلاه لتطبيقات الأتربة النادرة، تتم إضافة الشكلين الأولين في الغالب إلى مركب المصفوفة المعدنية، في حين يتم تطبيق الشكل الثالث بشكل أساسي على مركبات المصفوفة البوليمرية، ويتم إضافة مركب المصفوفة الخزفية بشكل أساسي في الشكل الثاني.

الأرضية النادرةيعمل بشكل رئيسي على المصفوفة المعدنية ومركب المصفوفة الخزفية في شكل مواد مضافة، ومثبتات، ومضافات تلبيد، مما يحسن أدائها بشكل كبير، ويقلل تكاليف الإنتاج، ويجعل تطبيقه الصناعي ممكنًا.

تلعب إضافة العناصر الأرضية النادرة كإضافات في المواد المركبة دورًا أساسيًا في تحسين أداء الواجهة للمواد المركبة وتعزيز صقل حبيبات المصفوفة المعدنية.آلية العمل هي على النحو التالي.

① تحسين قابلية البلل بين المصفوفة المعدنية ومرحلة التسليح.تكون السالبية الكهربية للعناصر الأرضية النادرة منخفضة نسبيًا (كلما كانت السالبية الكهربية للمعادن أصغر، كانت السالبية الكهربية لللافلزات أكثر نشاطًا).على سبيل المثال، La هي 1.1، وCe هي 1.12، وY هي 1.22.تبلغ السالبية الكهربية للمعدن الأساسي المشترك Fe 1.83، وNi 1.91، وAl 1.61.ولذلك، فإن العناصر الأرضية النادرة سوف تمتز بشكل تفضيلي على حدود الحبوب للمصفوفة المعدنية ومرحلة التعزيز أثناء عملية الصهر، مما يقلل من طاقة الواجهة، ويزيد من عمل التصاق الواجهة، ويقلل زاوية الترطيب، وبالتالي تحسين قابلية البلل بين المصفوفة ومرحلة التعزيز.أظهرت الأبحاث أن إضافة عنصر La إلى مصفوفة الألومنيوم يحسن بشكل فعال قابلية تبلل AlO وسائل الألومنيوم، ويحسن البنية الدقيقة للمواد المركبة.

② تعزيز صقل حبيبات المصفوفة المعدنية.قابلية ذوبان الأتربة النادرة في البلورات المعدنية صغيرة، لأن نصف القطر الذري للعناصر الأرضية النادرة كبير، ونصف القطر الذري للمصفوفة المعدنية صغير نسبيًا.سيؤدي دخول العناصر الأرضية النادرة ذات نصف القطر الأكبر إلى شبكة المصفوفة إلى تشويه الشبكة، مما يؤدي إلى زيادة طاقة النظام.وللحفاظ على أدنى مستوى من الطاقة الحرة، لا يمكن لذرات الأرض النادرة إلا التخصيب باتجاه حدود الحبوب غير المنتظمة، مما يعيق إلى حد ما النمو الحر لحبيبات المصفوفة.في الوقت نفسه، سوف تمتص العناصر الأرضية النادرة المخصبة أيضًا عناصر السبائك الأخرى، مما يزيد من تدرج تركيز عناصر السبائك، مما يتسبب في انخفاض درجة حرارة المكونات المحلية، وتعزيز تأثير النواة غير المتجانسة لمصفوفة المعدن السائل.بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي التبريد السفلي الناتج عن فصل العناصر أيضًا إلى تعزيز تكوين المركبات المنفصلة وتصبح جزيئات نواة غير متجانسة فعالة، وبالتالي تعزيز صقل حبيبات المصفوفة المعدنية.

③ تنقية حدود الحبوب.بسبب التقارب القوي بين العناصر الأرضية النادرة وعناصر مثل O، S، P، N، وما إلى ذلك، فإن الطاقة الحرة القياسية لتكوين الأكاسيد والكبريتيدات والفوسفيدات والنيتريدات منخفضة.تتمتع هذه المركبات بنقطة انصهار عالية وكثافة منخفضة، ويمكن إزالة بعضها عن طريق الطفو من سائل السبائك، بينما يتم توزيع البعض الآخر بالتساوي داخل الحبوب، مما يقلل من فصل الشوائب عند حدود الحبوب، وبالتالي تنقية حدود الحبوب و تحسين قوتها.

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.

لقد أثبت عدد كبير من الممارسات أن إضافة أكاسيد الأتربة النادرة كمثبتات، ومساعدات التلبيد، ومعدلات التطعيم إلى مصفوفة معدنية مختلفة ومركب مصفوفة خزفية يمكن أن يحسن بشكل كبير من قوة المواد وصلابتها، ويقلل من درجة حرارة التلبيد، وبالتالي يقلل تكاليف الإنتاج.الآلية الرئيسية لعملها هي على النحو التالي.

① باعتبارها مادة مضافة للتلبيد، يمكنها تعزيز التلبيد وتقليل المسامية في المواد المركبة.تهدف إضافة إضافات التلبيد إلى توليد مرحلة سائلة عند درجات حرارة عالية، وتقليل درجة حرارة تلبيد المواد المركبة، ومنع تحلل المواد عند درجة حرارة عالية أثناء عملية التلبيد، والحصول على مواد مركبة كثيفة من خلال تلبيد الطور السائل.نظرًا للاستقرار العالي، والتقلب الضعيف في درجات الحرارة العالية، ونقاط الانصهار والغليان العالية لأكاسيد الأرض النادرة، يمكنها تشكيل مراحل زجاجية مع مواد خام أخرى وتعزيز التلبيد، مما يجعلها مادة مضافة فعالة.في الوقت نفسه، يمكن لأكسيد الأرض النادرة أيضًا أن يشكل محلولًا صلبًا مع المصفوفة الخزفية، والتي يمكن أن تولد عيوبًا بلورية بالداخل، وتنشط الشبكة وتعزز التلبد.

② تحسين البنية المجهرية وتحسين حجم الحبوب.نظرًا لحقيقة أن أكاسيد الأتربة النادرة المضافة تتواجد بشكل أساسي عند الحدود الحبيبية للمصفوفة، ونظرًا لحجمها الكبير، تتمتع أكاسيد الأتربة النادرة بمقاومة عالية للهجرة في الهيكل، كما أنها تعيق هجرة الأيونات الأخرى، مما يقلل من معدل هجرة حدود الحبوب، مما يمنع نمو الحبوب، ويعوق النمو غير الطبيعي للحبوب أثناء تلبيد درجات الحرارة العالية.يمكنهم الحصول على حبيبات صغيرة وموحدة، مما يساعد على تكوين هياكل كثيفة؛من ناحية أخرى، عن طريق تطعيم أكاسيد الأتربة النادرة، فإنها تدخل مرحلة الزجاج الحدودي للحبيبات، مما يحسن قوة الطور الزجاجي وبالتالي تحقيق هدف تحسين الخواص الميكانيكية للمادة.

تؤثر العناصر الأرضية النادرة في مركبات مصفوفة البوليمر بشكل رئيسي عن طريق تحسين خصائص مصفوفة البوليمر.يمكن لأكاسيد الأتربة النادرة أن تزيد من درجة حرارة التحلل الحراري للبوليمرات، في حين أن الكربوكسيلات الأرضية النادرة يمكن أن تحسن الاستقرار الحراري لكلوريد البولي فينيل.يمكن أن يؤدي تطعيم البوليسترين بمركبات أرضية نادرة إلى تحسين ثبات البوليسترين وزيادة قوة تأثيره وقوة الانحناء بشكل كبير.