複合材料におけるレアアースの応用

の適用希土類複合材料における
希土類元素は、独特の 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徴を持っています。他の元素と錯体を形成する場合、その配位数は 6 から 12 まで変化します。希土類化合物はさまざまな結晶構造を持っています。レアアースの特殊な物理的および化学的特性により、レアアースは高品質の鉄鋼および非鉄金属、特殊ガラスおよび高性能セラミックス、永久磁石材料、水素貯蔵材料、発光材料およびレーザー材料、核材料の製錬に広く使用されています。 、その他の分野。複合材料の継続的な開発に伴い、レアアースの応用は複合材料の分野にも拡大しており、異種材料間の界面特性を改善する上で広く注目を集めています。

複合材料の製造におけるレアアースの主な利用形態は次のとおりです。希土類金属複合材料へ。 ② の形で追加します。希土類酸化物複合材料に。 ③ポリマー中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使用されます。上記の 3 つのレアアース適用形態のうち、最初の 2 つの形態は主に金属基複合材料に添加され、3 番目の形態は主にポリマー基複合材料に適用され、2 番目の形態は主にセラミック基複合材料に添加されます。

希土類主に添加剤、安定剤、焼結助剤の形で金属母材やセラミック母材複合材料に作用し、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。

複合材料に添加剤として希土類元素を添加することは、主に複合材料の界面性能を向上させ、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。作用機序は以下の通りです。

① 金属マトリックスと強化相と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です (金属の電気陰性度が小さいほど、非金属の電気陰性度はより活発になります)。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 です。したがって、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、それらの界面エネルギーを減少させ、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間の濡れ性を改善します。そして強化フェーズ。研究によると、La元素をアルミニウムマトリックスに添加すると、AlOとアルミニウム液体の濡れ性が効果的に改善され、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金属母材粒子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の溶解度は小さくなります。より大きな半径の希土類元素がマトリックス格子に侵入すると、格子歪みが発生し、システムのエネルギーが増加します。最低の自由エネルギーを維持するために、希土類原子は不規則な粒界に向かって濃縮することしかできず、これによりマトリックス粒子の自由な成長がある程度妨げられます。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、局所的な成分の過冷却を引き起こし、液体金属マトリックスの不均一核生成効果を高めます。さらに、元素の偏析によって引き起こされる過冷却も偏析化合物の形成を促進し、効果的な不均一核生成粒子となり、それによって金属マトリックス粒子の微細化を促進します。

③粒界を浄化する。希土類元素と O、S、P、N などの元素との親和性が高いため、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、合金液から浮上して除去できる化合物もあれば、粒子内に均一に分布する化合物もあり、粒界での不純物の偏析が減少し、粒界が清浄化され、強度を向上させています。

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、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してください。

安定剤、焼結助剤、およびドーピング調整剤として希土類酸化物をさまざまな金属マトリックスおよびセラミックマトリックス複合材料に添加すると、材料の強度と靱性が大幅に向上し、焼結温度が低下し、その結果、生産コストが削減できることが、数多くの実践によって証明されています。その主な作用機序は以下の通りです。

① 焼結助剤として、複合材料の焼結を促進し、気孔率を低減します。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下げ、焼結プロセス中の材料の高温分解を抑制し、液相焼結を通じて緻密な複合材料を得るために使用されます。希土類酸化物の高い安定性、弱い高温揮発性、高い融点と沸点により、他の原料とガラス相を形成し、焼結を促進することができ、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することもでき、これにより内部に結晶欠陥が生成され、格子が活性化され、焼結が促進されます。

② 組織を改善し、結晶粒径を微細化します。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、構造内でのマイグレーション耐性が高く、また他のイオンのマイグレーションを妨げるため、粒界の移動速度を抑制し、粒成長を抑制し、高温焼結時の粒の異常成長を妨げます。小さくて均一な粒子を得ることができるため、緻密な構造の形成に役立ちます。一方、希土類酸化物をドーピングすると、それらは粒界ガラス相に入り、ガラス相の強度が向上し、材料の機械的特性を向上させるという目標が達成されます。

ポリマーマトリックス複合材料中の希土類元素は、主にポリマーマトリックスの特性を改善することで複合材料に影響を与えます。希土類酸化物はポリマーの熱分解温度を上昇させることができ、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ることができます。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。