Mécanisme d’action des oxydes de terres rares dans les réfractaires magnésiens et calciques

Les propriétés d’un élément déterminent ses performances, et les terres rares ne font pas exception. Leurs performances sont étroitement liées à leurs propriétés. Les principaux facteurs déterminant leurs propriétés physiques (telles que la dureté, la structure cristalline et le point de fusion) sont leurs rayons atomique et ionique. Les terres rares ont des points de fusion élevés qui augmentent avec le numéro atomique, bien que cette tendance ne soit pas très constante. Les terres rares perdent généralement leurs électrons des orbitales s et d externes, formant un état de valence +3, formant ainsi des oxydes de terres rares. Cet état de valence +3 est l’état d’oxydation caractéristique des terres rares. Les oxydes de terres rares ont des points de fusion supérieurs à 2000 °C et sont non volatils. Ce sont des semi-conducteurs conducteurs mixtes, dotés d’une conductivité électronique et ionique. La conductivité électronique désigne la conduction des électrons et des trous, tandis que la conductivité ionique désigne le mouvement des ions oxygène dans les lacunes d’oxygène, essentiellement la conduction des ions oxygène.

Outre l’utilisation directe des terres rares comme composants de matrice ou centres fonctionnels, basée sur les propriétés optiques et magnétiques des électrons 4f, leurs propriétés chimiques, telles que leur réactivité chimique et leur grand rayon ionique, peuvent également être exploitées pour modifier la microstructure du matériau et ainsi améliorer ses performances. Les céramiques semi-conductrices fonctionnelles dopées aux terres rares en sont un exemple majeur. L’ajout d’oxydes de terres rares aux matériaux réfractaires permet non seulement d’améliorer la résistance et la ténacité intrinsèques du matériau, mais aussi de réduire les températures de frittage et les coûts de production.

Grâce à leur non-toxicité, leur rendement élevé et leurs propriétés physiques et chimiques uniques, les composés de terres rares sont de plus en plus utilisés dans un large éventail d’applications, allant des applications primaires en métallurgie, génie chimique et céramique à des applications avancées dans les matériaux composites hautes performances tels que le stockage de l’hydrogène et la luminescence. Les recherches sur l’application des oxydes de terres rares aux matériaux céramiques ont suscité un vif intérêt. Des études ont montré que l’ajout d’oxydes de terres rares améliore significativement les performances des matériaux céramiques, garantissant leur qualité et leurs performances pour diverses applications. De plus, les oxydes de terres rares, utilisés comme fondants, peuvent favoriser le frittage, améliorer la microstructure de la céramique et assurer le dopage et la modification.

Les oxydes de terres rares, utilisés comme additifs, améliorent les propriétés des matériaux réfractaires, démontrant ainsi leurs avantages uniques et significatifs en termes d’amélioration des performances et de nouvelles fonctions. L’ajout de petites quantités d’oxydes de terres rares augmente la densité des réfractaires magnéso-calciques, améliorant ainsi leur densité et leur résistance à la corrosion.

Les oxydes de terres rares sont utilisés comme additifs dans les réfractaires magnéso-calciques pour améliorer leur frittabilité, leur compacité, leur microstructure, la composition de leur phase cristalline, leur résistance à la flexion à température ambiante et leur ténacité à la rupture, répondant ainsi aux exigences de performance du marché pour les réfractaires magnéso-calciques. Il existe trois principaux mécanismes d’ajout d’oxydes de terres rares aux matériaux réfractaires magnéso-calciques. (1) Les additifs utilisés comme fondants peuvent favoriser le frittage. La température de frittage des matériaux réfractaires magnésium-calcium est généralement élevée, et de nombreux facteurs nuisent à la densification lors du frittage. L’ajout d’oxydes de terres rares peut résoudre ce problème. Grâce à leurs propriétés uniques, ces oxydes peuvent modifier la structure interne des matériaux réfractaires, favorisant ainsi leur frittage. (2) Les oxydes de terres rares peuvent améliorer la microstructure des matériaux réfractaires magnésium-calcium. Cela réduit la vitesse de migration des joints de grains, inhibe la croissance des grains et favorise la formation d’une structure dense. (3) Modification par dopage des oxydes de terres rares. Le dopage des oxydes de terres rares lors de la préparation des matériaux réfractaires modifie la forme cristalline de l’échantillon, entraînant ainsi une modification de son volume. Cette modification peut améliorer considérablement sa résistance à la flexion et sa ténacité. Les recherches sur l’ajout d’additifs pour améliorer et optimiser les propriétés des matériaux lors de la préparation des réfractaires ont toujours retenu l’attention. Les recherches actuelles se concentrent principalement sur la difficulté de frittage et d’hydratation des sables calciques magnésiens. Les principaux additifs utilisés sont le ZrO₂, le Fe₂O₃, l’Al₂O₃, les oxydes de terres rares, etc.