ما هو تأثير أكاسيد العناصر الأرضية النادرة في الطلاءات الخزفية؟

تُصنف السيراميك والمواد المعدنية والبوليمرية كثلاث مواد صلبة رئيسية. يتميز السيراميك بخصائص ممتازة، مثل مقاومة درجات الحرارة العالية والتآكل والاهتراء، وذلك بفضل الرابطة الذرية للسيراميك، أي الرابطة الأيونية أو الرابطة التساهمية أو الرابطة الأيونية التساهمية المختلطة ذات طاقة الرابطة العالية. يمكن للطلاء السيراميكي تغيير مظهر وبنية وأداء السطح الخارجي للركيزة، ويُفضل استخدام مركب الطلاء والركيزة لأدائه الجديد. فهو يجمع عضويًا بين الخصائص الأصلية للركيزة وخصائص مقاومة درجات الحرارة العالية والتآكل العالية للمواد السيراميكية، مستفيدًا من المزايا الشاملة لهذين النوعين من المواد، مما يجعله يُستخدم على نطاق واسع في صناعات الفضاء والطيران والدفاع الوطني والصناعات الكيميائية وغيرها.

تُعتبر المعادن الأرضية النادرة "كنزًا" للمواد الجديدة، نظرًا لبنيتها الإلكترونية الفريدة 4f وخصائصها الفيزيائية والكيميائية. ومع ذلك، نادرًا ما تُستخدم المعادن الأرضية النادرة النقية مباشرةً في الأبحاث، وتُستخدم مركباتها غالبًا. أكثر هذه المركبات شيوعًا هي CeO2، وLa2O3، وY2O3، وLaF3، وCeF، وCeS، والفيرسيليكون الأرضي النادر. تُحسّن هذه المركبات الأرضية النادرة بنية وخصائص المواد الخزفية والطلاءات الخزفية.

تطبيق أكاسيد العناصر الأرضية النادرة في المواد الخزفية

إن إضافة عناصر أرضية نادرة كمثبتات ومساعدات التلبيد إلى أنواع مختلفة من السيراميك يمكن أن يخفض درجة حرارة التلبيد، ويحسن قوة ومتانة بعض السيراميك الإنشائي، وبالتالي يقلل من تكلفة الإنتاج. في الوقت نفسه، تلعب العناصر الأرضية النادرة أيضًا دورًا مهمًا للغاية في أجهزة استشعار غاز أشباه الموصلات، ووسائط الميكروويف، والسيراميك الكهرضغطي، وغيرها من السيراميك الوظيفي. وجد البحث أن إضافة اثنين أو أكثر من أكاسيد الأرض النادرة إلى سيراميك الألومينا معًا أفضل من إضافة أكسيد أرضي نادر واحد إلى سيراميك الألومينا. بعد اختبار التحسين، كان لـ Y2O3 + CeO2 أفضل تأثير. عند إضافة 0.2٪ Y2O3 + 0.2٪ CeO2 عند 1490 درجة مئوية، يمكن أن تصل الكثافة النسبية للعينات الملبدة إلى 96.2٪، وهو ما يتجاوز كثافة العينات التي تحتوي على أي أكسيد أرضي نادر Y2O3 أو CeO2 بمفرده.

كان تأثير La2O3+Y2O3 وSm2O3+La2O3 في تعزيز التلبيد أفضل من إضافة La2O3 فقط، كما تحسنت مقاومة التآكل بشكل واضح. كما يُظهر أن خلط أكسيدين من معادن الأرض النادرة ليس إضافة بسيطة، بل هناك تفاعل بينهما، مما يُعزز التلبيد ويحسن أداء سيراميك الألومينا، إلا أن المبدأ لا يزال قيد الدراسة.

بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن إضافة أكاسيد معادن أرضية نادرة مختلطة كمساعدات للتلبيد يُمكن أن يُحسّن هجرة المواد، ويُعزز تلبيد سيراميك أكسيد المغنيسيوم، ويُحسّن الكثافة. ومع ذلك، عندما يزيد محتوى أكسيد المعادن المختلطة عن 15%، تنخفض الكثافة النسبية وتزداد المسامية المفتوحة.

ثانياً، تأثير أكاسيد العناصر الأرضية النادرة على خصائص الطلاءات الخزفية

تُظهر الأبحاث الحالية أن العناصر الأرضية النادرة قادرة على تحسين حجم الحبيبات، وزيادة الكثافة، وتحسين البنية الدقيقة، وتنقية السطح البيني. وتلعب دورًا فريدًا في تحسين قوة الطلاءات الخزفية ومتانتها وصلابتها ومقاومتها للتآكل، مما يُحسّن أداءها إلى حدٍ ما، ويُوسّع نطاق تطبيقاتها.

1

تحسين الخواص الميكانيكية للطلاءات الخزفية باستخدام أكاسيد العناصر الأرضية النادرة

يمكن لأكاسيد العناصر الأرضية النادرة تحسين صلابة الطلاء الخزفي وقوة انحناءه وقوة شدّه بشكل ملحوظ. تُظهر النتائج التجريبية أنه يمكن تحسين قوة شد الطلاء بفعالية باستخدام Lao_2 كمادة مضافة في مادة Al2O3 + 3% TiO_2، ويمكن أن تصل قوة الشد إلى 27.36 ميجا باسكال عندما تكون كمية Lao_2 6.0%. عند إضافة CeO2 بنسبة كتلة 3.0% و6.0% إلى مادة Cr2O3، تتراوح قوة الشد للطلاء بين 18 و25 ميجا باسكال، وهي أعلى من القيمة الأصلية التي تتراوح بين 12 و16 ميجا باسكال. ومع ذلك، عندما تكون نسبة CeO2 9.0%، تنخفض قوة الشد إلى 12 و15 ميجا باسكال.

2

تحسين مقاومة الصدمات الحرارية للطلاء الخزفي باستخدام العناصر الأرضية النادرة

يُعد اختبار مقاومة الصدمات الحرارية اختبارًا مهمًا يُظهر نوعيًا قوة الالتصاق بين الطلاء والركيزة، ومطابقة معامل التمدد الحراري بينهما. ويعكس هذا الاختبار بشكل مباشر قدرة الطلاء على مقاومة التقشير عند تغير درجة الحرارة بالتناوب أثناء الاستخدام، كما يعكس قدرته على مقاومة التعب الناتج عن الصدمات الميكانيكية، وقدرته على الالتصاق بالركيزة من الجانب. لذا، يُعد أيضًا عاملًا أساسيًا في تقييم جودة الطلاء السيراميكي.

أظهرت الأبحاث أن إضافة 3.0%CeO2 يمكن أن تقلل من مسامية وحجم المسام في الطلاء، وتقلل من تركيز الإجهاد على حواف المسام، مما يحسن مقاومة الصدمات الحرارية لطلاء Cr2O3. ومع ذلك، انخفضت مسامية طلاء السيراميك Al2O3، وزادت قوة الترابط وعمر فشل الصدمة الحرارية للطلاء بشكل واضح بعد إضافة LaO2. عند إضافة LaO2 بنسبة 6% (الكسر الكتلي)، تكون مقاومة الصدمات الحرارية للطلاء هي الأفضل، ويمكن أن يصل عمر فشل الصدمة الحرارية إلى 218 مرة، بينما يبلغ عمر فشل الصدمة الحرارية للطلاء بدون LaO2 163 مرة فقط.

3

تؤثر أكاسيد العناصر الأرضية النادرة على مقاومة الطلاء للتآكل

أكاسيد العناصر الأرضية النادرة المستخدمة لتحسين مقاومة التآكل في الطلاءات الخزفية هي في الغالب CeO2 وLa2O3. يتميز هيكلها الطبقي السداسي بوظيفة تزييت جيدة ويحافظ على ثبات خصائصها الكيميائية في درجات الحرارة العالية، مما يُحسّن مقاومة التآكل ويُقلل معامل الاحتكاك بشكل فعال.

يُظهر البحث أن معامل الاحتكاك للطلاء بكمية مناسبة من CeO2 صغير ومستقر. وقد أُفيد أن إضافة La2O3 إلى طلاء سيرميت القائم على النيكل المرشوش بالبلازما يمكن أن يقلل بشكل واضح من تآكل الاحتكاك ومعامل الاحتكاك للطلاء، ومعامل الاحتكاك مستقر مع تقلبات قليلة. يُظهر سطح التآكل لطبقة الكسوة بدون الأرض النادرة التصاقًا شديدًا وكسرًا هشًا وتقشرًا، ومع ذلك، يُظهر الطلاء المحتوي على الأرض النادرة التصاقًا ضعيفًا على السطح البالي، ولا توجد علامة على تقشر هش على مساحة كبيرة. البنية الدقيقة للطلاء المشوب بالأرض النادرة أكثر كثافة وأكثر إحكامًا، وتقل المسام، مما يقلل من متوسط ​​قوة الاحتكاك التي تتحملها الجسيمات المجهرية ويقلل من الاحتكاك والتآكل. يمكن أن يؤدي التطعيم بالأرض النادرة أيضًا إلى زيادة مسافة المستوى البلوري للسيرميت، مما يؤدي إلى تغيير قوة التفاعل بين وجهي البلورة ويقلل من معامل الاحتكاك.

ملخص:

على الرغم من أن أكاسيد الأرض النادرة حققت إنجازات كبيرة في تطبيق المواد والطلاءات الخزفية، والتي يمكن أن تعمل على تحسين البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية للمواد والطلاءات الخزفية بشكل فعال، إلا أن هناك العديد من الخصائص غير المعروفة، وخاصة في تقليل الاحتكاك والتآكل. أصبحت كيفية جعل قوة المواد ومقاومتها للتآكل تتعاون مع خصائصها التشحيمية اتجاهًا مهمًا يستحق المناقشة في مجال علم الاحتكاك.

هاتف: +86-21-20970332بريد إلكتروني:info@shxlchem.com