آلية عمل أكاسيد العناصر الأرضية النادرة في المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم

تُحدد خصائص أي عنصر أداءه، والعناصر الأرضية النادرة ليست استثناءً. يرتبط أداؤها ارتباطًا وثيقًا بخصائصها. العوامل الرئيسية التي تُحدد خصائصها الفيزيائية (مثل الصلابة، والبنية البلورية، ودرجة الانصهار) هي نصف قطرها الذري والأيوني. تتميز المعادن الأرضية النادرة بدرجات انصهار عالية تزداد بازدياد العدد الذري، على الرغم من أن هذا التوجه ليس ثابتًا تمامًا. تفقد العناصر الأرضية النادرة عادةً إلكتروناتها الخارجية في المدارين s وd، مُشكلةً حالة تكافؤ +3، وبالتالي تُشكل أكاسيدها. تُمثل حالة التكافؤ +3 هذه حالة الأكسدة المميزة للعناصر الأرضية النادرة. تتجاوز درجات انصهار أكاسيدها 2000 درجة مئوية، وهي غير متطايرة. وهي أشباه موصلات موصلة مختلطة، تتميز بموصلية إلكترونية وأيونية. تُشير الموصلية الإلكترونية إلى توصيل الإلكترونات والفجوات، بينما تُشير الموصلية الأيونية إلى حركة أيونات الأكسجين داخل شواغر الأكسجين، أي توصيل أيونات الأكسجين.

بالإضافة إلى استخدام العناصر الأرضية النادرة مباشرةً كمكونات مصفوفة أو مراكز وظيفية بناءً على الخصائص البصرية والمغناطيسية لإلكترونات 4f، يُمكن أيضًا الاستفادة من خصائصها الكيميائية، مثل تفاعليتها الكيميائية ونصف قطرها الأيوني الكبير، لتعديل البنية المجهرية للمادة، وبالتالي تحسين أدائها. وتُعد سيراميكات أشباه الموصلات الوظيفية المُشبَّعة بالعناصر الأرضية النادرة مثالًا رئيسيًا على ذلك. إن إضافة أكاسيد العناصر الأرضية النادرة إلى المواد المقاومة للحرارة لا تُعزز وتُحسّن من قوة المادة ومتانتها فحسب، بل تُقلل أيضًا من درجات حرارة التلبيد وتكاليف الإنتاج.

نظرًا لعدم سُميتها، وكفاءتها العالية، وخصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة، تُستخدم مركبات العناصر الأرضية النادرة بشكل متزايد في مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من التطبيقات الأساسية في علم المعادن والهندسة الكيميائية والسيراميك، وصولًا إلى التطبيقات المتقدمة في المواد المركبة عالية الأداء مثل تخزين الهيدروجين والتألق. وقد حظيت الأبحاث المتعلقة بتطبيق أكاسيد العناصر الأرضية النادرة في المواد الخزفية باهتمام واسع. وقد أظهرت الدراسات أن إضافة أكاسيد العناصر الأرضية النادرة يُحسّن بشكل كبير من أداء المواد الخزفية، مما يضمن جودتها وأدائها في تطبيقات متنوعة. علاوة على ذلك، يمكن لأكاسيد الأتربة النادرة، كمواد صهر، تعزيز التلبيد، وتحسين البنية الدقيقة للسيراميك، وتوفير التنشيط والتعديل.

تُحسّن أكاسيد الأتربة النادرة، كمواد مضافة، خصائص المواد المقاومة للحرارة، مُظهرةً فوائدها الفريدة والهامة في تحسين الأداء وإضافة وظائف جديدة. إضافة كميات صغيرة من أكاسيد الأتربة النادرة تزيد من كثافة المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم، مما يُحسّن كثافتها ومقاومتها للتآكل.

تُستخدم أكاسيد الأتربة النادرة كمواد مضافة في المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم لتحسين قابلية التلبيد، وتماسكها، وبنيتها الدقيقة، وتركيب الطور البلوري، وقوة الانحناء في درجة حرارة الغرفة، ومتانة الكسر، وبالتالي تلبية متطلبات أداء السوق للمواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. هناك ثلاث آليات رئيسية لإضافة أكاسيد الأتربة النادرة إلى المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. (1) يمكن للمواد المضافة كمواد صهر أن تُعزز التلبيد. تكون درجة حرارة تلبيد المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم مرتفعة بشكل عام، وهناك العديد من العوامل التي لا تساعد على التكثيف أثناء عملية التلبيد. يمكن أن تحل إضافة أكاسيد الأتربة النادرة هذه المشكلة. نظرًا للخصائص الفريدة لأكاسيد الأتربة النادرة، فإن إضافة أكاسيد الأتربة النادرة إلى المواد المقاومة للحرارة يمكن أن تغير بنيتها الداخلية، مما يعزز تلبيد المواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. (2) يمكن لأكاسيد الأتربة النادرة تحسين البنية الدقيقة للمواد المقاومة للحرارة من المغنيسيوم والكالسيوم. يمكن أن تؤدي إضافة أكاسيد الأتربة النادرة إلى تحسين البنية الدقيقة الداخلية للمواد المقاومة للحرارة. هذا يقلل من معدل هجرة حدود الحبيبات، ويمنع نمو الحبيبات، ويؤدي إلى تكوين بنية كثيفة. (3) تعديل أكاسيد الأتربة النادرة بالتشويب. سيؤدي تشويب أكاسيد الأتربة النادرة في عملية تحضير المواد المقاومة للحرارة إلى تغيير شكل بلورة العينة، مما يتسبب في تغيير حجمها. يمكن أن يؤدي هذا التغيير إلى تحسين مقاومتها للانحناء ومتانتها بشكل كبير. لطالما جذبت الأبحاث المتعلقة بإضافة مواد مضافة لتحسين خصائص المواد في عملية تحضير المواد المقاومة للحرارة اهتمامًا كبيرًا. وينصبّ التركيز الرئيسي في هذا البحث على مشكلة صعوبة تلبيد مواد خام رمل الكالسيوم والمغنيسيوم وسهولة ترطيبها. وتشمل المواد المضافة الرئيسية أكسيد الزركونيوم (ZrO2)، وأكسيد الحديد (Fe2O3)، وأكسيد الألومنيوم (Al2O3)، وأكاسيد الأتربة النادرة، وغيرها.