Lur Arraroen Aplikazioa Material Konposatuetan

AplikazioaLur arraroaMaterial Konposatuetan
Lur arraroen elementuek 4f egitura elektroniko berezia, momentu magnetiko atomiko handia, spin akoplamendu sendoa eta beste ezaugarri batzuk dituzte. Beste elementu batzuekin konplexuak eratzean, haien koordinazio zenbakia 6tik 12ra alda daiteke. Lur arraroen konposatuek kristal egitura ugari dituzte. Lur arraroen propietate fisiko eta kimiko bereziek asko erabiltzen dituzte kalitate handiko altzairua eta metal ez-ferrosoak urtzeko, beira bereziak eta errendimendu handiko zeramikak, iman iraunkorreko materialak, hidrogenoa gordetzeko materialak, material lumineszenteak eta laserrak, material nuklearrak eta beste arlo batzuk egiteko. Material konposatuen etengabeko garapenarekin, lur arraroen aplikazioa material konposatuen arlora ere zabaldu da, material heterogeneoen arteko interfazearen propietateak hobetzeko arreta zabala erakarriz.

Lur arraroen aplikazio mota nagusiak material konposatuak prestatzeko hauek dira: ① gehitzealur arraroetako metalakmaterial konposatuetara; ② Gehitu moduanlur arraroen oxidoakmaterial konposatuari; ③ Polimeroetan lur arraroen metalekin dopatutako edo lotutako polimeroak material konposatuetan matrize-material gisa erabiltzen dira. Goiko hiru lur arraroen aplikazio-moten artean, lehenengo bi formak batez ere metal matrizeko konpositeei gehitzen zaizkie, hirugarrena batez ere polimero matrizeko konpositeei aplikatzen zaien bitartean, eta zeramika matrizeko konpositea batez ere bigarren forman gehitzen da.

Lur arraroakbatez ere metalezko matrizearen eta zeramikazko matrizearen konpositearen gainean jarduten du gehigarrien, egonkortzaileen eta sinterizazio-gehigarrien moduan, haien errendimendua asko hobetuz, ekoizpen-kostuak murriztuz eta bere aplikazio industriala posible eginez.

Lur arraroen elementuak material konposatuetan gehigarri gisa gehitzeak, batez ere, material konposatuen interfazearen errendimendua hobetzeko eta metal matrizearen aleen fintzea sustatzeko zeregina du. Ekintza-mekanismoa honako hau da.

① Hobetu metal matrizearen eta indartze fasearen arteko bustigarritasuna. Lur arraroen elementuen elektronegatibotasuna nahiko baxua da (metalen elektronegatibotasuna zenbat eta txikiagoa izan, orduan eta aktiboagoa da ez-metalen elektronegatibotasuna). Adibidez, La 1,1 da, Ce 1,12 da eta Y 1,22 da. Fe oinarrizko metal arruntaren elektronegatibotasuna 1,83 da, Ni 1,91 da eta Al 1,61 da. Beraz, lur arraroen elementuak lehentasunez metal matrizearen eta indartze fasearen ale-mugetan itsasten dira urtze-prozesuan, haien interfazearen energia murriztuz, interfazearen atxikimendu-lana handituz, bustitze-angelua murriztuz eta, horrela, matrizearen eta indartze fasearen arteko bustigarritasuna hobetuz. Ikerketek erakutsi dute La elementua aluminio matrizeari gehitzeak AlO eta aluminio likidoaren bustigarritasuna eraginkortasunez hobetzen duela, eta material konposatuen mikroegitura hobetzen duela.

② Metal matrizearen aleen fintzea sustatzea. Lur arraroen disolbagarritasuna metal kristalean txikia da, lur arraroen elementuen erradio atomikoa handia delako, eta metal matrizearen erradio atomikoa nahiko txikia delako. Erradio handiagoa duten lur arraroen elementuak matrize sarean sartzeak sarearen distortsioa eragingo du, eta horrek sistemaren energia handituko du. Energia libre txikiena mantentzeko, lur arraroen atomoek ale muga irregularretara baino ezin dute aberastu, eta horrek neurri batean matrizearen aleen hazkuntza librea oztopatzen du. Aldi berean, aberastutako lur arraroen elementuek beste aleazio elementu batzuk ere xurgatuko dituzte, aleazio elementuen kontzentrazio gradientea handituz, osagaien tokiko azpihoztea eraginez eta metal likido matrizearen nukleazio heterogeneoaren efektua hobetuz. Gainera, elementuen segregazioak eragindako azpihozteak konposatu segregatuen eraketa ere sustatu dezake eta nukleazio partikula heterogeneo eraginkor bihurtu, eta horrela metal matrizearen aleen fintzea sustatuz.

③ Ale-mugak garbitu. Lur arraroen elementuen eta O, S, P, N eta abar bezalako elementuen arteko afinitate handia dela eta, oxido, sulfuro, fosfuro eta nitruroen eraketa-energia libre estandarra baxua da. Konposatu hauek urtze-puntu altua eta dentsitate baxua dute, eta horietako batzuk aleazio-likidotik gora flotatuz kendu daitezke, eta beste batzuk alearen barruan uniformeki banatzen dira, ale-mugan ezpurutasunen bereizketa murriztuz, eta horrela ale-muga garbituz eta bere erresistentzia hobetuz.

Kontuan izan behar da lur arraroetako metalen jarduera handia eta urtze-puntu baxua direla eta, metal matrizearen konpositeari gehitzen zaizkionean, oxigenoarekin duten kontaktua bereziki kontrolatu behar dela gehitze-prozesuan zehar.

Praktika askok frogatu dute lur arraroen oxidoak egonkortzaile, sinterizazio laguntzaile eta dopatze aldatzaile gisa gehitzeak metal matrizeko eta zeramika matrizeko konposite desberdinei materialen erresistentzia eta gogortasuna asko hobetu dezakeela, sinterizazio tenperatura murriztu eta, beraz, ekoizpen kostuak murriztu ditzakeela. Bere ekintza mekanismo nagusia honako hau da.

① Sinterizazio-gehigarri gisa, sinterizazioa sustatu eta porositatea murriztu dezake material konposatuetan. Sinterizazio-gehigarrien gehikuntzak fase likido bat sortzea du helburu tenperatura altuetan, material konposatuen sinterizazio-tenperatura murriztea, materialen tenperatura altuko deskonposizioa inhibitzea sinterizazio-prozesuan zehar, eta fase likidoko sinterizazioaren bidez material konposatu trinkoak lortzea. Lur arraroen oxidoen egonkortasun handiari, tenperatura altuko lurrunkortasun ahulari eta urtze- eta irakite-puntu altuak direla eta, beira-faseak osa ditzakete beste lehengai batzuekin eta sinterizazioa sustatu, gehigarri eraginkorra bihurtuz. Aldi berean, lur arraroen oxidoak disoluzio solidoa ere osa dezake zeramikazko matrizearekin, eta horrek barruan kristal-akatsak sor ditzake, sare-efektua aktibatu eta sinterizazioa sustatu.

② Mikroegitura hobetu eta aleen tamaina findu. Gehitutako lur arraroen oxidoak batez ere matrizearen ale-mugetan daudenez, eta bolumen handia dutenez, lur arraroen oxidoek migrazio-erresistentzia handia dute egituran, eta beste ioien migrazioa ere oztopatzen dute, horrela ale-mugen migrazio-tasa murriztuz, aleen hazkundea inhibituz eta tenperatura altuko sinterizazioan aleen hazkunde anormala oztopatuz. Ale txiki eta uniformeak lor ditzakete, eta horrek egitura trinkoak eratzeko balio du; Bestalde, lur arraroen oxidoak dopatuz, ale-mugako beira-fasean sartzen dira, beira-fasearen erresistentzia hobetuz eta, horrela, materialaren propietate mekanikoak hobetzeko helburua lortuz.

Polimero matrizeko konpositeetan dauden lur arraroen elementuek batez ere eragiten diete polimero matrizearen propietateak hobetuz. Lur arraroen oxidoek polimeroen deskonposizio termikoaren tenperatura handitu dezakete, eta lur arraroen karboxilatoek, berriz, polibinil kloruroaren egonkortasun termikoa hobetu. Poliestirenoa lur arraroen konposatuekin dopatzeak poliestirenoaren egonkortasuna hobetu dezake eta nabarmen handitu dezake bere inpaktuarekiko erresistentzia eta tolestura-erresistentzia.