กลไกการทำงานของออกไซด์ของธาตุหายากในวัสดุทนไฟแมกนีเซียม-แคลเซียม

คุณสมบัติของธาตุกำหนดสมรรถนะของธาตุนั้นๆ และธาตุหายากก็ไม่มีข้อยกเว้น สมรรถนะของธาตุเหล่านี้สัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติของธาตุนั้นๆ ปัจจัยหลักที่กำหนดคุณสมบัติทางกายภาพของธาตุ (เช่น ความแข็ง โครงสร้างผลึก และจุดหลอมเหลว) คือรัศมีอะตอมและรัศมีไอออนิก โลหะหายากมีจุดหลอมเหลวสูงซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น แม้ว่าแนวโน้มนี้จะไม่คงที่มากนัก โดยทั่วไปธาตุหายากจะสูญเสียอิเล็กตรอนวงโคจร s และ d ด้านนอก ทำให้เกิดสถานะวาเลนซ์ +3 จึงเกิดเป็นออกไซด์ของธาตุหายาก สถานะวาเลนซ์ +3 นี้เป็นสถานะออกซิเดชันเฉพาะของธาตุหายาก ออกไซด์ของธาตุหายากมีจุดหลอมเหลวสูงกว่า 2000°C และไม่ระเหยง่าย เป็นสารกึ่งตัวนำตัวนำผสมที่มีทั้งสภาพนำไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า สภาพนำไฟฟ้าหมายถึงการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนและโฮล ในขณะที่สภาพนำไฟฟ้าหมายถึงการเคลื่อนที่ของไอออนออกซิเจนภายในช่องว่างของออกซิเจน ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือการนำไฟฟ้าของไอออนออกซิเจน

นอกจากการใช้ธาตุหายากโดยตรงเป็นส่วนประกอบเมทริกซ์หรือศูนย์กลางการทำงานโดยอาศัยคุณสมบัติเชิงแสงและแม่เหล็กของอิเล็กตรอน 4f แล้ว คุณสมบัติทางเคมีของธาตุหายาก เช่น ปฏิกิริยาเคมีและรัศมีไอออนิกขนาดใหญ่ ยังสามารถนำไปใช้ประโยชน์เพื่อปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของวัสดุได้อีกด้วย เซรามิกส์เซมิคอนดักเตอร์ฟังก์ชันที่เจือด้วยธาตุหายากเป็นตัวอย่างที่สำคัญ การเติมออกไซด์ของธาตุหายากลงในวัสดุทนไฟไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มและปรับปรุงความแข็งแรงและความเหนียวโดยธรรมชาติของวัสดุเท่านั้น แต่ยังช่วยลดอุณหภูมิในการเผาผนึกและต้นทุนการผลิตอีกด้วย

เนื่องจากความปลอดสารพิษ ประสิทธิภาพสูง และคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ สารประกอบธาตุหายากจึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหลากหลายรูปแบบ ตั้งแต่การใช้งานเบื้องต้นในโลหะวิทยา วิศวกรรมเคมี และเซรามิกส์ ไปจนถึงการใช้งานขั้นสูงในวัสดุคอมโพสิตประสิทธิภาพสูง เช่น การกักเก็บไฮโดรเจนและการเรืองแสง งานวิจัยเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ออกไซด์ของธาตุหายากในวัสดุเซรามิกส์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการเติมแร่ธาตุหายาก (Rare Earth Oxide) ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุเซรามิกอย่างมีนัยสำคัญ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงคุณภาพและประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย นอกจากนี้ แร่ธาตุหายากในฐานะฟลักซ์ยังสามารถส่งเสริมการเผาผนึก ปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของเซรามิก และช่วยการเจือปนและการดัดแปลง

แร่ธาตุหายากในฐานะสารเติมแต่ง ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุทนไฟ แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ที่โดดเด่นและสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพและมอบฟังก์ชันใหม่ๆ การเติมแร่ธาตุหายากในปริมาณเล็กน้อยจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของวัสดุทนไฟแมกนีเซียม-แคลเซียม ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นและความต้านทานการกัดกร่อน

แร่ธาตุหายากถูกใช้เป็นสารเติมแต่งในวัสดุทนไฟแมกนีเซียม-แคลเซียม เพื่อปรับปรุงความสามารถในการเผาผนึก ความแน่น โครงสร้างจุลภาค องค์ประกอบเฟสผลึก ความแข็งแรงดัดที่อุณหภูมิห้อง และความเหนียวแตกหัก ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทางการตลาดสำหรับวัสดุทนไฟแมกนีเซียม-แคลเซียม มีกลไกหลักสามประการในการเติมแร่ธาตุหายากลงในวัสดุทนไฟแมกนีเซียม-แคลเซียม (1) สารเติมแต่งในรูปฟลักซ์สามารถส่งเสริมการเผาผนึก อุณหภูมิการเผาผนึกของวัสดุทนไฟแมกนีเซียม-แคลเซียมโดยทั่วไปจะสูง และมีปัจจัยหลายอย่างที่ไม่เอื้อต่อการเพิ่มความหนาแน่นระหว่างกระบวนการเผาผนึก การเติมออกไซด์ของแรร์เอิร์ธสามารถแก้ปัญหานี้ได้ เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัวของออกไซด์ของแรร์เอิร์ธ การเติมออกไซด์ของแรร์เอิร์ธลงในวัสดุทนไฟสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของวัสดุ ส่งเสริมการเผาผนึกของวัสดุทนไฟแมกนีเซียม-แคลเซียม (2) ออกไซด์ของแรร์เอิร์ธสามารถปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของวัสดุทนไฟแมกนีเซียม-แคลเซียม การเติมออกไซด์ของแรร์เอิร์ธสามารถปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคภายในของวัสดุทนไฟ ซึ่งจะช่วยลดอัตราการเคลื่อนที่ของขอบเกรน ยับยั้งการเจริญเติบโตของเกรน และเอื้อต่อการเกิดโครงสร้างที่หนาแน่น (3) การดัดแปลงออกไซด์ของแรร์เอิร์ธด้วยการโด๊ป การเจือปนออกไซด์ของธาตุหายากในกระบวนการเตรียมวัสดุทนไฟจะทำให้รูปร่างผลึกของตัวอย่างเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้ปริมาตรเปลี่ยนแปลงไป การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถปรับปรุงความต้านทานการดัดงอและความเหนียวได้อย่างมาก งานวิจัยเกี่ยวกับการเติมสารเติมแต่งเพื่อปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติของวัสดุในกระบวนการเตรียมวัสดุทนไฟได้รับความสนใจจากผู้คนมาโดยตลอด งานวิจัยปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่ปัญหาที่ว่าวัตถุดิบทรายแมกนีเซียมแคลเซียมนั้นเผายากและเติมน้ำได้ง่าย สารเติมแต่งหลักๆ ได้แก่ ZrO2, Fe2O3, Al2O3, ออกไซด์ของธาตุหายาก เป็นต้น