Cơ chế hoạt động của oxit đất hiếm trong vật liệu chịu lửa magie-canxi

Tính chất của một nguyên tố quyết định hiệu suất của nó, và các nguyên tố đất hiếm cũng không ngoại lệ. Hiệu suất của chúng liên quan chặt chẽ đến tính chất của chúng. Các yếu tố chính quyết định tính chất vật lý của chúng (như độ cứng, cấu trúc tinh thể và điểm nóng chảy) là bán kính nguyên tử và ion của chúng. Kim loại đất hiếm có điểm nóng chảy cao và tăng theo số hiệu nguyên tử, mặc dù xu hướng này không nhất quán. Các nguyên tố đất hiếm thường mất electron orbital s và d ngoài cùng, tạo thành trạng thái hóa trị +3, do đó tạo thành oxit đất hiếm. Trạng thái hóa trị +3 này là trạng thái oxy hóa đặc trưng của các nguyên tố đất hiếm. Oxit đất hiếm có điểm nóng chảy trên 2000°C và không bay hơi. Chúng là chất bán dẫn dẫn điện hỗn hợp với cả độ dẫn điện tử và ion. Độ dẫn điện tử đề cập đến sự dẫn điện của electron và lỗ trống, trong khi độ dẫn ion đề cập đến sự chuyển động của các ion oxy trong các lỗ trống oxy, về cơ bản là sự dẫn ion oxy.

Ngoài việc sử dụng trực tiếp các nguyên tố đất hiếm làm thành phần nền hoặc trung tâm chức năng dựa trên các tính chất quang học và từ tính của electron 4f, các tính chất hóa học của chúng, chẳng hạn như khả năng phản ứng hóa học và bán kính ion lớn, cũng có thể được tận dụng để sửa đổi cấu trúc vi mô của vật liệu, từ đó cải thiện hiệu suất của nó. Gốm bán dẫn chức năng pha tạp đất hiếm là một ví dụ điển hình. Việc bổ sung oxit đất hiếm vào vật liệu chịu lửa không chỉ tăng cường và cải thiện độ bền và độ dẻo dai vốn có của vật liệu mà còn giảm nhiệt độ thiêu kết và chi phí sản xuất.

Do không độc hại, hiệu suất cao và các tính chất vật lý và hóa học độc đáo, các hợp chất đất hiếm ngày càng được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ các ứng dụng chính trong luyện kim, kỹ thuật hóa học và gốm sứ đến các ứng dụng tiên tiến trong vật liệu composite hiệu suất cao như lưu trữ hydro và phát quang. Nghiên cứu về ứng dụng oxit đất hiếm trong vật liệu gốm sứ đã thu hút sự chú ý rộng rãi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung oxit đất hiếm cải thiện đáng kể hiệu suất của vật liệu gốm sứ, đảm bảo chất lượng và hiệu suất của chúng cho các ứng dụng đa dạng. Hơn nữa, oxit đất hiếm, dưới dạng chất trợ dung, có thể thúc đẩy quá trình thiêu kết, cải thiện cấu trúc vi mô của gốm, đồng thời cung cấp khả năng pha tạp và biến tính.

Oxit đất hiếm, dưới dạng chất phụ gia, cải thiện các tính chất của vật liệu chịu lửa, chứng minh những lợi ích độc đáo và đáng kể của chúng trong việc nâng cao hiệu suất và mang lại các chức năng mới. Việc bổ sung một lượng nhỏ oxit đất hiếm làm tăng mật độ của vật liệu chịu lửa magie-canxi, cải thiện mật độ và khả năng chống ăn mòn của chúng.

Oxit đất hiếm được sử dụng làm chất phụ gia trong vật liệu chịu lửa magie-canxi để cải thiện khả năng thiêu kết, độ nén, cấu trúc vi mô, thành phần pha tinh thể, độ bền uốn ở nhiệt độ phòng và độ dai nứt gãy, do đó đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất thị trường đối với vật liệu chịu lửa magie-canxi. Có ba cơ chế chính để bổ sung oxit đất hiếm vào vật liệu chịu lửa magie-canxi. (1) Phụ gia làm chất trợ dung có thể thúc đẩy quá trình thiêu kết. Nhiệt độ thiêu kết của vật liệu chịu lửa magie-canxi thường cao, và có nhiều yếu tố không thuận lợi cho quá trình nén chặt trong quá trình thiêu kết. Việc bổ sung oxit đất hiếm có thể giải quyết vấn đề này. Do tính chất độc đáo của oxit đất hiếm, việc thêm oxit đất hiếm vào vật liệu chịu lửa có thể làm thay đổi cấu trúc bên trong của chúng, do đó thúc đẩy quá trình thiêu kết vật liệu chịu lửa magie-canxi. (2) Oxit đất hiếm có thể cải thiện cấu trúc vi mô của vật liệu chịu lửa magie-canxi. Việc bổ sung oxit đất hiếm có thể cải thiện cấu trúc vi mô bên trong của vật liệu chịu lửa. Điều này làm giảm tốc độ di chuyển ranh giới hạt, ức chế sự phát triển của hạt và có lợi cho việc hình thành cấu trúc đặc. (3) Biến tính pha tạp oxit đất hiếm. Việc pha tạp oxit đất hiếm trong quá trình chuẩn bị vật liệu chịu lửa sẽ làm thay đổi dạng tinh thể của mẫu, do đó làm thay đổi thể tích của nó. Sự thay đổi này có thể cải thiện đáng kể khả năng chống uốn và độ dai của nó. Nghiên cứu về việc thêm chất phụ gia để cải thiện và tối ưu hóa các tính chất liên quan của vật liệu trong quá trình chuẩn bị vật liệu chịu lửa luôn thu hút sự chú ý của mọi người. Trong nghiên cứu hiện nay, trọng tâm chính là vấn đề nguyên liệu cát magie canxi khó thiêu kết và dễ ngậm nước. Các chất phụ gia chính bao gồm ZrO2, Fe2O3, Al2O3, oxit đất hiếm, v.v.