Mekanisme aksi oksida tanah jarang dalam refraktori magnesia-kalsium
Sifat suatu unsur menentukan kinerjanya, dan unsur tanah jarang pun demikian. Kinerjanya berkaitan erat dengan sifat-sifatnya. Faktor utama yang menentukan sifat fisiknya (seperti kekerasan, struktur kristal, dan titik lebur) adalah jari-jari atom dan ionnya. Logam tanah jarang memiliki titik lebur tinggi yang meningkat seiring bertambahnya nomor atom, meskipun tren ini tidak terlalu konsisten. Unsur tanah jarang biasanya kehilangan elektron pada orbital s dan d terluarnya, membentuk keadaan valensi +3, sehingga membentuk oksida tanah jarang. Keadaan valensi +3 ini merupakan keadaan oksidasi karakteristik unsur tanah jarang. Oksida tanah jarang memiliki titik lebur di atas 2000°C dan bersifat nonvolatil. Oksida ini merupakan semikonduktor konduktif campuran dengan konduktivitas elektronik dan ionik. Konduktivitas elektronik mengacu pada konduksi elektron dan hole, sedangkan konduktivitas ionik mengacu pada pergerakan ion oksigen dalam kekosongan oksigen, yang pada dasarnya merupakan konduksi ion oksigen.
Selain menggunakan unsur tanah jarang secara langsung sebagai komponen matriks atau pusat fungsional berdasarkan sifat optik dan magnetik elektron 4f, sifat kimianya, seperti reaktivitas kimia dan radius ionik yang besar, juga dapat dimanfaatkan untuk memodifikasi struktur mikro material, sehingga meningkatkan kinerjanya. Keramik semikonduktor fungsional terdoping tanah jarang merupakan contoh utama. Penambahan oksida tanah jarang ke material refraktori tidak hanya meningkatkan dan memperbaiki kekuatan dan ketangguhan inheren material, tetapi juga mengurangi suhu sintering dan biaya produksi.
Karena sifat non-toksisitasnya, efisiensi tinggi, dan sifat fisik serta kimianya yang unik, senyawa tanah jarang semakin banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, berkembang dari aplikasi primer dalam metalurgi, teknik kimia, dan keramik hingga aplikasi lanjutan dalam material komposit berkinerja tinggi seperti penyimpanan hidrogen dan pendaran cahaya. Penelitian tentang penerapan oksida tanah jarang dalam material keramik telah menarik perhatian luas. Studi telah menunjukkan bahwa penambahan oksida tanah jarang secara signifikan meningkatkan kinerja material keramik, memastikan kualitas dan kinerjanya untuk beragam aplikasi. Lebih lanjut, oksida tanah jarang, sebagai fluks, dapat meningkatkan sintering, memperbaiki struktur mikro keramik, serta memberikan doping dan modifikasi.
Oksida tanah jarang, sebagai aditif, meningkatkan sifat material refraktori, menunjukkan manfaat unik dan signifikan dalam meningkatkan kinerja dan memberikan fungsi baru. Penambahan sejumlah kecil oksida tanah jarang meningkatkan densitas refraktori magnesia-kalsium, sehingga meningkatkan densitas dan ketahanan korosinya.
Oksida tanah jarang digunakan sebagai aditif dalam refraktori magnesia-kalsium untuk meningkatkan sinterabilitas, kekompakan, struktur mikro, komposisi fase kristal, kekuatan lentur suhu ruang, dan ketangguhan patah, sehingga memenuhi persyaratan kinerja pasar untuk refraktori magnesia-kalsium. Terdapat tiga mekanisme utama untuk menambahkan oksida tanah jarang ke material refraktori magnesium-kalsium. (1) Aditif sebagai fluks dapat meningkatkan sintering. Suhu sintering bahan refraktori magnesium-kalsium umumnya tinggi, dan terdapat banyak faktor yang tidak mendukung densifikasi selama proses sintering. Penambahan oksida tanah jarang dapat mengatasi masalah ini. Karena sifat unik oksida tanah jarang, penambahan oksida tanah jarang ke bahan refraktori dapat mengubah struktur internalnya, sehingga mendorong sintering bahan refraktori magnesium-kalsium. (2) Oksida tanah jarang dapat memperbaiki struktur mikro bahan refraktori magnesium-kalsium. Penambahan oksida tanah jarang dapat memperbaiki struktur mikro internal bahan refraktori. Hal ini mengurangi laju migrasi batas butir, menghambat pertumbuhan butir, dan mendukung pembentukan struktur padat. (3) Modifikasi doping oksida tanah jarang. Doping oksida tanah jarang dalam proses pembuatan bahan refraktori akan menyebabkan perubahan bentuk kristal sampel, sehingga menyebabkan perubahan volumenya. Perubahan ini dapat meningkatkan ketahanan tekuk dan ketangguhannya secara signifikan. Penelitian tentang penambahan aditif untuk meningkatkan dan mengoptimalkan sifat material yang relevan dalam proses persiapan material refraktori selalu menarik perhatian. Dalam penelitian ini, fokus utamanya adalah pada permasalahan bahwa bahan baku pasir kalsium magnesia sulit disinter dan mudah terhidrasi. Aditif utama meliputi ZrO2, Fe2O3, Al2O3, oksida tanah jarang, dll.