セラミックコーティングにおける希土類酸化物の影響は何ですか?

セラミックス、金属材料、高分子材料は、三大固体材料として挙げられます。セラミックスは、原子間の結合様式がイオン結合、共有結合、または高い結合エネルギーを持つイオン共有混合結合であるため、耐高温性、耐腐食性、耐摩耗性など、多くの優れた特性を備えています。セラミックコーティングは、基材の外表面の外観、構造、性能を変えることができます。コーティングと基材の複合材料は、その新しい性能から高く評価されています。基材本来の特性とセラミックス材料の耐高温性、高耐摩耗性、高耐腐食性などの特性を有機的に組み合わせ、2種類の材料の総合的な利点を十分に発揮できるため、航空宇宙、航空、国防、化学工業などの業界で広く使用されています。

希土類元素は、その独特な4f電子構造と物理的・化学的特性から、新材料の「宝庫」と呼ばれています。しかし、純粋な希土類元素が研究に直接使用されることは稀で、主に希土類化合物が用いられています。最も一般的な化合物は、CeO₂、La₂O₃、Y₂O₃、LaF₃、CeF₃、CeS、そして希土類フェロシリコンです。これらの希土類化合物は、セラミック材料やセラミックコーティングの構造と特性を向上させることができます。

セラミック材料における希土類酸化物の応用

希土類元素を安定剤や焼結助剤として各種セラミックに添加すると、焼結温度を下げ、一部の構造用セラミックスの強度と靭性を向上させ、生産コストを削減することができます。同時に、希土類元素は半導体ガスセンサー、マイクロ波媒体、圧電セラミックスなどの機能性セラミックスでも非常に重要な役割を果たしています。研究では、2種類以上の希土類酸化物をアルミナセラミックスに一緒に添加すると、単一の希土類酸化物をアルミナセラミックスに添加するよりも優れていることがわかりました。最適化テストの後、Y2O3+CeO2が最も効果的でした。1490℃で0.2％Y2O3+0.2％CeO2を添加すると、焼結サンプルの相対密度は96.2％に達し、希土類酸化物Y2O3またはCeO2単独のサンプルの密度を超えます。

La2O3+Y2O3、Sm2O3+La2O3の焼結促進効果は、La2O3単独添加よりも優れており、耐摩耗性も明らかに向上しています。また、2種類の希土類酸化物の混合は単なる添加ではなく、相互作用があり、アルミナセラミックスの焼結と性能向上にさらに有益であることが示されていますが、その原理はまだ解明されていません。

さらに、焼結助剤として混合希土類金属酸化物を添加すると、材料の移動性が改善され、MgOセラミックスの焼結が促進され、密度が向上することが分かっています。しかし、混合金属酸化物の含有量が15%を超えると、相対密度が低下し、開気孔率が増大します。

第二に、希土類酸化物がセラミックコーティングの特性に与える影響

既存の研究によると、希土類元素は粒径を微細化し、密度を高め、微細構造を改善し、界面を浄化する作用があり、セラミックコーティングの強度、靭性、硬度、耐摩耗性、耐腐食性を向上させる独自の役割を果たし、セラミックコーティングの性能をある程度向上させ、セラミックコーティングの応用範囲を広げています。

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希土類酸化物によるセラミックコーティングの機械的特性の改善

希土類酸化物は、セラミックコーティングの硬度、曲げ強度、引張接着強度を大幅に向上させることができます。実験結果によると、Al2O3+3% TiO_2材料にLaO_2を添加剤として使用することで、コーティングの引張強度を効果的に向上させることができ、LaO_2の量が6.0%の場合、引張接着強度は27.36MPaに達します。Cr2O3材料に質量分率3.0%および6.0%のCeO2を添加すると、コーティングの引張接着強度は18〜25MPaになり、元の12〜16MPaより高くなります。ただし、CeO2の含有量が9.0%になると、引張接着強度は12〜15MPaに低下します。

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希土類元素によるセラミックコーティングの耐熱衝撃性の向上

耐熱衝撃試験は、コーティングと基材の接着強度、およびコーティングと基材の熱膨張係数の適合性を定性的に評価する重要な試験です。使用中に温度が変動した際にコーティングが剥離するのを防ぐ能力を直接的に反映するだけでなく、機械的衝撃疲労に対するコーティングの耐性、および側面からの基材との接着能力も反映します。したがって、セラミックコーティングの品質を判断する重要な要素でもあります。

研究によると、3.0%のCeO2を添加すると、コーティング内の気孔率と気孔サイズが減少し、気孔エッジの応力集中が緩和され、Cr2O3コーティングの耐熱衝撃性が向上することが示されています。一方、LaO2を添加すると、Al2O3セラミックコーティングの気孔率は低下し、コーティングの接着強度と耐熱衝撃寿命は明らかに向上しました。LaO2の添加量が6%（質量分率）のとき、コーティングの耐熱衝撃性は最も良好で、耐熱衝撃寿命は218回に達します。一方、LaO2を含まないコーティングの耐熱衝撃寿命はわずか163回です。

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希土類酸化物はコーティングの耐摩耗性に影響を与える

セラミックコーティングの耐摩耗性を向上させるために使用される希土類酸化物は、主にCeO2とLa2O3です。これらの六方層状構造は優れた潤滑機能を発揮し、高温下でも安定した化学的性質を維持するため、耐摩耗性を効果的に向上させ、摩擦係数を低減します。

研究によると、適量のCeO2を含むコーティングの摩擦係数は小さく安定しています。プラズマ噴霧ニッケルベースサーメットコーティングにLa2O3を添加すると、コーティングの摩擦摩耗と摩擦係数が明らかに減少し、摩擦係数は変動が少なく安定していることが報告されています。希土類を含まないクラッド層の摩耗面は、深刻な付着と脆性破壊および剥離を示していますが、希土類を含むコーティングは摩耗面で弱い付着を示し、大面積の脆性剥離の兆候はありません。希土類ドープコーティングのミクロ構造はより緻密でコンパクトであり、気孔が減少しているため、微細粒子が負担する平均摩擦力が減少し、摩擦と摩耗が減少する。希土類をドーピングすると、サーメットの結晶面距離が増加し、2つの結晶面間の相互作用力が変化し、摩擦係数が低下する。

まとめ：

希土類酸化物はセラミック材料およびコーティングの応用において大きな成果を上げており、セラミック材料およびコーティングの微細構造と機械的特性を効果的に改善できますが、特に摩擦と摩耗の低減に関しては、まだ多くの未知の特性があります。材料の強度と耐摩耗性を潤滑特性とどのように連携させるかは、トライボロジーの分野で議論する価値のある重要な方向性となっています。

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