応用希土類複合材料分野
希土類元素は、特異な4f電子構造、大きな原子磁気モーメント、強いスピン結合などの特性を有しています。他の元素と錯体を形成する際、その配位数は6から12まで変化します。希土類化合物は多様な結晶構造を有しています。希土類元素の特殊な物理的・化学的性質により、高品質の鋼や非鉄金属の製錬、特殊ガラスや高性能セラミックス、永久磁石材料、水素貯蔵材料、発光・レーザー材料、原子力材料などの分野で広く利用されています。複合材料の継続的な発展に伴い、希土類元素の応用も複合材料分野に拡大し、異種材料間の界面特性の向上において広く注目を集めています。
複合材料の製造における希土類元素の主な応用形態は以下の通りである：希土類金属複合材料に添加する；②希土類酸化物複合材料へ；③ ポリマーに希土類金属をドープまたは結合させたポリマーは、複合材料のマトリックス材料として用いられる。上記の3つの希土類応用形態のうち、最初の2つの形態は主に金属マトリックス複合材料に添加され、3番目の形態は主にポリマーマトリックス複合材料に、そして2番目の形態は主にセラミックマトリックス複合材料に添加される。
希土類主に金属マトリックスやセラミックマトリックス複合材料に添加剤、安定剤、焼結添加剤の形で作用し、その性能を大幅に向上させ、生産コストを削減し、産業応用を可能にします。
複合材料への添加剤としての希土類元素の添加は、主に複合材料の界面性能の向上と金属マトリックス粒子の微細化を促進する役割を果たします。その作用メカニズムは以下のとおりです。
① 金属マトリックスと強化相の濡れ性を向上させる。希土類元素の電気陰性度は比較的低い（金属の電気陰性度が小さいほど、非金属の電気陰性度が活性になる）。例えば、Laは1.1、Ceは1.12、Yは1.22である。一般的な卑金属であるFeの電気陰性度は1.83、Niは1.91、Alは1.61である。そのため、希土類元素は製錬プロセス中に金属マトリックスと強化相の粒界に優先的に吸着し、界面エネルギーを低下させ、界面の付着仕事を増加させ、濡れ角を減少させ、それによってマトリックスと強化相の濡れ性を向上させる。研究によると、アルミニウムマトリックスにLa元素を添加すると、AlOとアルミニウム液体の濡れ性が効果的に向上し、複合材料の微細構造が改善されることが示されています。
② 金属マトリックス粒の微細化を促進する。希土類元素の原子半径は大きく、金属マトリックスの原子半径は比較的小さいため、金属結晶中の希土類元素の溶解度は小さい。より大きな半径の希土類元素がマトリックス格子に入り込むと、格子歪みが生じ、系エネルギーが増加する。希土類原子は、最も低い自由エネルギーを維持するために、不規則な粒界に向かってしか濃縮できず、これはマトリックス粒の自由成長をある程度阻害する。同時に、濃縮された希土類元素は他の合金元素も吸着し、合金元素の濃度勾配を増加させ、局所的な成分過冷却を引き起こし、液体金属マトリックスの異種核生成効果を高める。さらに、元素偏析による過冷却は、偏析化合物の形成を促進し、有効な異種核生成粒子となり、金属マトリックス粒の微細化を促進する。
③ 粒界を浄化します。希土類元素とO、S、P、Nなどの元素との強い親和性により、酸化物、硫化物、リン化物、窒化物の標準生成自由エネルギーは低くなります。これらの化合物は融点が高く密度が低いため、一部は合金液から浮上除去でき、残りは粒内に均一に分散するため、粒界における不純物の偏析が減少し、粒界が浄化され、強度が向上します。
希土類金属は活性が高く、融点が低いため、金属マトリックス複合材料に添加する場合は、添加プロセス中に酸素との接触を特別に制御する必要があることに注意する必要があります。
様々な金属マトリックスやセラミックマトリックス複合材料に、安定剤、焼結助剤、ドーピング改質剤として希土類酸化物を添加することで、材料の強度と靭性を大幅に向上させ、焼結温度を低下させ、ひいては生産コストを削減できることが、多くの実践で実証されています。その主な作用メカニズムは以下のとおりです。
① 焼結助剤として、複合材料の焼結を促進し、気孔率を低減することができます。焼結助剤の添加は、高温で液相を生成し、複合材料の焼結温度を低下させ、焼結過程における材料の高温分解を抑制し、液相焼結によって緻密な複合材料を得ることを目的としています。希土類酸化物は安定性が高く、高温揮発性が弱く、融点と沸点が高いため、他の原料とガラス相を形成して焼結を促進するため、効果的な添加剤となります。同時に、希土類酸化物はセラミックマトリックスと固溶体を形成し、内部に結晶欠陥を発生させ、格子を活性化して焼結を促進することができます。
②微細構造の改善と粒径の微細化。添加された希土類酸化物は主にマトリックスの粒界に存在し、その体積が大きいため、構造内での移動抵抗が高く、他のイオンの移動を阻害することで粒界の移動速度を低下させ、粒成長を抑制し、高温焼結時の粒の異常成長を抑制します。これにより、小さく均一な粒が得られ、緻密な構造の形成につながります。一方、希土類酸化物をドーピングすることで、粒界ガラス相に入り込み、ガラス相の強度を向上させ、材料の機械的特性を向上させるという目的を達成します。
ポリマーマトリックス複合材料における希土類元素は、主にポリマーマトリックスの特性を向上させることで効果を発揮します。希土類酸化物はポリマーの熱分解温度を高め、希土類カルボン酸塩はポリ塩化ビニルの熱安定性を向上させます。ポリスチレンに希土類化合物をドーピングすると、ポリスチレンの安定性が向上し、衝撃強度と曲げ強度が大幅に向上します。
投稿日時: 2023年4月26日