Magnezya-kalsiyum refrakterlerde nadir toprak oksitlerinin etki mekanizması
Bir elementin özellikleri performansını belirler ve nadir toprak elementleri de bir istisna değildir. Performansları, özellikleriyle yakından ilişkilidir. Fiziksel özelliklerini (sertlik, kristal yapı ve erime noktası gibi) belirleyen temel faktörler atomik ve iyonik yarıçaplarıdır. Nadir toprak metalleri, artan atom numarasıyla birlikte artan yüksek erime noktalarına sahiptir, ancak bu eğilim çok tutarlı değildir. Nadir toprak elementleri genellikle dış s ve d orbital elektronlarını kaybederek +3 değerlik durumu oluşturur ve böylece nadir toprak oksitleri oluştururlar. Bu +3 değerlik durumu, nadir toprak elementlerinin karakteristik oksidasyon durumudur. Nadir toprak oksitlerinin erime noktaları 2000°C’nin üzerindedir ve uçucu değildir. Hem elektronik hem de iyonik iletkenliğe sahip karışık iletken yarı iletkenlerdir. Elektronik iletkenlik, elektron ve boşlukların iletkenliğini ifade ederken, iyonik iletkenlik, oksijen boşlukları içindeki oksijen iyonlarının hareketini, yani esasen oksijen iyon iletkenliğini ifade eder.
Nadir toprak elementleri, 4f elektronlarının optik ve manyetik özelliklerine dayalı olarak doğrudan matris bileşenleri veya fonksiyonel merkezler olarak kullanılmasının yanı sıra, kimyasal reaktiviteleri ve büyük iyonik yarıçapları gibi kimyasal özellikleri de malzemenin mikro yapısını değiştirmek ve böylece performansını artırmak için kullanılabilir. Nadir toprak elementleriyle katkılanmış fonksiyonel yarı iletken seramikler bunun önemli bir örneğidir. Refrakter malzemelere nadir toprak oksitleri eklemek, malzemenin doğal mukavemetini ve tokluğunu artırıp iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda sinterleme sıcaklıklarını ve üretim maliyetlerini de düşürür.
Toksik olmamaları, yüksek verimlilikleri ve benzersiz fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle, nadir toprak bileşikleri, metalurji, kimya mühendisliği ve seramiklerdeki temel uygulamalardan hidrojen depolama ve lüminesans gibi yüksek performanslı kompozit malzemelerdeki gelişmiş uygulamalara kadar geniş bir uygulama yelpazesinde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Seramik malzemelerde nadir toprak oksitlerinin uygulanması üzerine yapılan araştırmalar yaygın ilgi görmüştür. Çalışmalar, nadir toprak oksitlerinin eklenmesinin seramik malzemelerin performansını önemli ölçüde artırdığını ve çeşitli uygulamalar için kalite ve performanslarını garanti ettiğini göstermiştir. Ayrıca, nadir toprak oksitleri, akı olarak sinterlemeyi destekleyebilir, seramiğin mikro yapısını iyileştirebilir ve doping ve modifikasyon sağlayabilir.
Nadir toprak oksitleri, katkı maddesi olarak refrakter malzemelerin özelliklerini iyileştirerek, performansı artırma ve yeni işlevler kazandırmada benzersiz ve önemli faydalarını ortaya koyar. Az miktarda nadir toprak oksit eklenmesi, magnezyum-kalsiyum refrakterlerin yoğunluğunu artırarak yoğunluklarını ve korozyon dirençlerini iyileştirir.
Nadir toprak oksitleri, magnezyum-kalsiyum refrakterlerde sinterlenebilirliklerini, kompaktlıklarını, mikro yapılarını, kristal faz bileşimlerini, oda sıcaklığında eğilme dayanımlarını ve kırılma tokluklarını iyileştirmek için katkı maddesi olarak kullanılır ve böylece magnezyum-kalsiyum refrakterler için pazar performans gereksinimlerini karşılar. Magnezyum-kalsiyum refrakter malzemelere nadir toprak oksitleri eklemenin üç ana mekanizması vardır. (1) Akı olarak katkı maddeleri sinterlemeyi destekleyebilir. Magnezyum-kalsiyum refrakter malzemelerin sinterleme sıcaklığı genellikle yüksektir ve sinterleme işlemi sırasında yoğunlaşmaya elverişli olmayan birçok faktör vardır. Nadir toprak oksitlerinin eklenmesi bu sorunu çözebilir. Nadir toprak oksitlerinin benzersiz özellikleri nedeniyle, refrakter malzemelere nadir toprak oksitlerinin eklenmesi, iç yapılarını değiştirebilir ve böylece magnezyum-kalsiyum refrakter malzemelerin sinterlenmesini destekleyebilir. (2) Nadir toprak oksitleri, magnezyum-kalsiyum refrakter malzemelerin mikro yapısını iyileştirebilir. Nadir toprak oksitlerinin eklenmesi, refrakter malzemelerin iç mikro yapısını iyileştirebilir. Bu, tane sınırı göç hızını azaltır, tane büyümesini engeller ve yoğun bir yapı oluşumuna elverişlidir. (3) Nadir toprak oksitlerinin katkılanmasıyla modifikasyon. Refrakter malzemelerin hazırlanması sürecinde nadir toprak oksitlerinin katkılanması, numunenin kristal formunun değişmesine ve dolayısıyla hacminin değişmesine neden olur. Bu değişiklik, eğilme direncini ve tokluğunu büyük ölçüde artırabilir. Refrakter malzemelerin hazırlanma sürecinde malzemelerin ilgili özelliklerini iyileştirmek ve optimize etmek için katkı maddeleri eklemeye yönelik araştırmalar her zaman ilgi görmüştür. Mevcut araştırmaların odak noktası, magnezyum kalsiyum kumu hammaddelerinin sinterlenmesinin zor, hidratlanmasının ise kolay olması sorunudur. Başlıca katkı maddeleri arasında ZrO2, Fe2O3, Al2O3, nadir toprak oksitleri vb. bulunmaktadır.