Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана

В работе рассмотрены особенности формировании монолитной керамики на основе некоторых топохимических реакций при высоких температурах под давлением. Показано, что выбор режимов и условий выполнения реакций позволяет получить материалы на основе боридов титана и гафния с мелкодисперсной структурой и...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Казо, И.Ф., Чернобук, С.В., Когутюк, П.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2012
Назва видання:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75207
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана / И.Ф. Казо, С.В. Чернобук, П.П. Когутюк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 27-38. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-75207
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-752072015-01-28T03:02:12Z Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана Казо, И.Ф. Чернобук, С.В. Когутюк, П.П. В работе рассмотрены особенности формировании монолитной керамики на основе некоторых топохимических реакций при высоких температурах под давлением. Показано, что выбор режимов и условий выполнения реакций позволяет получить материалы на основе боридов титана и гафния с мелкодисперсной структурой и высокими механическими характеристиками. У роботі розглянуто особливості формування монолітної кераміки на основі деяких топохемічних реакцій при високих температурах під тиском. Показано, що вибір режимів і умов перебігу реакцій уможливлює одержати матеріяли на основі боридів титану та гафнію з дрібнодисперсною структурою і високими механічними характеристиками. Features of formation of the monolithic ceramics based on some topochemical reactions provided by high temperatures under pressure are considered. As shown, the choice of modes and conditions of the reactions enables to fabricate the materials based on the titanium and hafnium borides with a fine-dispersed structure and high mechanical parameters. 2012 Article Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана / И.Ф. Казо, С.В. Чернобук, П.П. Когутюк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 27-38. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.05.cp, 62.20.Qp, 62.23.Pq, 68.37.Hk, 81.05.Je, 81.20.Ev, 81.20.Ka http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75207 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В работе рассмотрены особенности формировании монолитной керамики на основе некоторых топохимических реакций при высоких температурах под давлением. Показано, что выбор режимов и условий выполнения реакций позволяет получить материалы на основе боридов титана и гафния с мелкодисперсной структурой и высокими механическими характеристиками.
format	Article
author	Казо, И.Ф. Чернобук, С.В. Когутюк, П.П.
spellingShingle	Казо, И.Ф. Чернобук, С.В. Когутюк, П.П. Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Казо, И.Ф. Чернобук, С.В. Когутюк, П.П.
author_sort	Казо, И.Ф.
title	Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана
title_short	Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана
title_full	Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана
title_fullStr	Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана
title_full_unstemmed	Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана
title_sort	механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75207
citation_txt	Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана / И.Ф. Казо, С.В. Чернобук, П.П. Когутюк // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 27-38. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT kazoif mehaničeskiesvojstvareakcionnospečënnojkeramikinaosnovediboridovgafniâititana AT černobuksv mehaničeskiesvojstvareakcionnospečënnojkeramikinaosnovediboridovgafniâititana AT kogutûkpp mehaničeskiesvojstvareakcionnospečënnojkeramikinaosnovediboridovgafniâititana
first_indexed	2025-07-05T23:30:14Z
last_indexed	2025-07-05T23:30:14Z
_version_	1836851621984731136
fulltext	27 PACS numbers: 61.05.cp, 62.20.Qp,62.23.Pq,68.37.Hk,81.05.Je,81.20.Ev, 81.20.Ka Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана И. Ф. Казо, С. В. Чернобук, П. П. Когутюк Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, просп. Акад. Глушкова, 4/1, 03680, ГСП, Киев, Украина Учебно-научный центр «Физико-химическое материаловедение» Киевского национального университета им. Тараса Шевченко и НАН Украины, ул. Владимирская, 64, 01033 Киев, Украина В работе рассмотрены особенности формировании монолитной керамики на основе некоторых топохимических реакций при высоких температурах под давлением. Показано, что выбор режимов и условий выполнения реакций позволяет получить материалы на основе боридов титана и гафния с мелко- дисперсной структурой и высокими механическими характеристиками. У роботі розглянуто особливості формування монолітної кераміки на основі деяких топохемічних реакцій при високих температурах під тиском. Пока- зано, що вибір режимів і умов перебігу реакцій уможливлює одержати ма- теріяли на основі боридів титану та гафнію з дрібнодисперсною структурою і високими механічними характеристиками. Features of formation of the monolithic ceramics based on some topochemical reactions provided by high temperatures under pressure are considered. As shown, the choice of modes and conditions of the reactions enables to fabricate the materials based on the titanium and hafnium borides with a fine-dispersed structure and high mechanical parameters. Ключевые слова: керамика, топохимические реакции, механические свой- ства. (Получено 11 мая 2011 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Твердофазные реакции – основа получения большинства современ- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2012, т. 10, № 1, сс. 27—38 © 2012 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 28 И. Ф. КАЗО, С. В.ЧЕРНОБУК, П. П. КОГУТЮК ных конструкционных материалов. Получение высокопрочных и тугоплавких керамических материалов с использованием топохи- мических реакций является перспективным. Опираясь на реакцию химического взаимодействия между металлами или карбидами ме- таллов и карбидом бора, во время горячего прессования получают керамику на основе диборидов и карбидов переходных металлов [1— 3]. Так авторы [4] создали и исследовали композит системы C—W2B5 с высокими показателями прочности – 786 МПа, микротвердости ≅ 12 ГПа и трещиностойкости – 8,89 МПа⋅м1/2. 2. ЦЕЛЬ И МЕТОДИКА Цель работы – рассмотреть механические свойства и особенности протекания топохимических реакций при формировании плотной монолитной керамики, полученной методом высокотемпературного реакционного спекания под давлением. Образцы систем ТіB2—С, НfB2—С, НfB2—НfС—С, TiB2—SiC—C и НfB2—В4С были изготовлены в соответствии с условными формула- ми химических реакций: 2ТіС + В4С → 2ТіB2 + 3С, (1) 2НfС + В4С → 2НfB2 + 3С, (2) 4НfС + В4С → 2НfB2 + 2НfС + 3С, (3) 2ТіС + В4С + λSi → 2ТіB2 + λSiС + (3−λ)С, (4) где λ = 2,5, 2, 1,5, 1 и 0,5, НfС + В4С + 6В → НfB2 + 2В4С. (5) Левая часть уравнения отражает мольный состав реагентов в ис- ходной шихте до высокотемпературного синтеза, а правая – моль- ный состав компонентов в спеченной керамике после полного про- текания реакции. В тексте статьи номер состава полученных образ- цов соответствует приведенной нумерации реакций. Средний размер зерен после размола в порошках составлял для ТіС 2—3 мкм, НfС – 1—3 мкм, В4С – 4—5 мкм, Si – 2—3 мкм. Горячее прессование выполняли на установке типа СПД-120 с индукционным нагревом в графитовых пресс-формах без защитной среды, в качестве обмазки использовали нитрид бора. При снятии кривых усадки время нагрева образцов от 18°С до 2200°С составляло 40 минут, давление 30 МПа. Процесс реакционного горячего прессования изготовления те- стируемых образцов для механических испытаний выполняли при МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕАКЦИОННО-СПЕЧЁННОЙ КЕРАМИКИ 29 температуре Т = 2150°С, давлении Р = 30 МПа, времени изотерми- ческой выдержки под давлением t = 8 мин. Для определения степени превращения реагентов во время топо- химических реакций опрессованные смеси нагревали на установке резистивного типа в графитовых формах. Фазовый состав полученных материалов изучали методом рентге- нофазового анализа. Рентгенодифракционные данные были получены на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3 (CuKα-излучение, съёмка в дискретном режиме, шаг сканирования – 0,05°, экспозиция – 3 с, угловой интервал – 20—140°). Интерпретацию данных осу- ществляли с помощью программы по фазовому анализу, укомплекто- ванной базой данных дифракционных спектров эталонных соедине- ний. Структуру и морфологию порошков, шлифов и изломов исследо- вали с помощью оптической (МИМ-8, Биолам-М) и растровой элек- тронной микроскопии (JUEL Superprobe 733). Прочность при изгибе (σизг) определяли методом четырехточеч- ной нагрузки на установке УП-8 (плечо 1:50); микротвердость по Виккерсу (НV) и коэффициент трещиностойкости (K1с) измеряли методом индентирования на приборе ПМТ-3. Нагрузка на индентор при измерении микротвердости составляла 2 Н, а при измерении трещиностойкости – 110 Н. 3. ИДЕОЛОГИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Исследования базировались на методе изготовления высокопрочных керамических материалов на основе диборидов переходных метал- лов с использованием химического взаимодействия между карбидом металла и карбидом бора [2—4]. Результатом такого взаимодействия является образование диборида металла и выделение свободного уг- лерода. Условное уравнение реакции имеет вид: 4 2 2 C C 2 B 3CМе B Ме Q+ → + + (Me = Ti, Hf). (6) Данная реакция является экзотермической. Тепловой эффект ре- акции Q увеличивается с возрастанием атомного номера металла, при участии TiC он составляет 51,45 кДж, HfC – 191,2 кДж. Температура начала заметного протекания реакции (образование более 5% масс. диборида металла за 300 с) также увеличивается с возрастанием атомного номера участвующего металла, от 1200°С (для шихты 2TiС + В4С ) до 1400°С (для шихты 2HfС + В4С). На ри- сунке 1 представлены зависимости степени прохождения реакций в смесях 2ТіС + В4С и 2HfС + В4С от температуры, время изотермиче- ской выдержки 300 с, при давлении 10 МПа. Степень прохождения реакции α оценивали по увеличению ко- 30 И. Ф. КАЗО, С. В.ЧЕРНОБУК, П. П. КОГУТЮК личества МеВ2 в реакционной смеси по формуле: α = μі/μ1, где μ1 і μі – массовые доли МеВ2, рассчитанные по данным количественного рентгеновского анализа при полном прохождении реакции и в про- цессе взаимодействия соответственно. В работе [5] показана зави- симость скорости и полноты протекания этой реакции от микро- структуры реагентов. Микроструктура исходных порошков- реагентов в свою очередь определяется способом их приготовления. Во время реакции происходит активное выделение летучих про- дуктов, адсорбированных на поверхности порошков, внесенных во время операции размола и перемешивания. Образование плотного материала в этом случае без приложенного внешнего давления очень затруднено. Достаточно плотные (менее 10% пористости) об- разцы удалось получить только при температурах прессования вы- ше 1950°С и приложенных давлениях выше 20 МПа. При этих условиях в образцах в основном заканчиваются химические про- цессы синтеза, и протекающая рекристаллизация приводит к зна- чительному уплотнению композитного материала. Нормированные кривые усадки образцов в зависимости от темпе- ратуры реакционного спекания при постоянном давлении 30 МПа для составов 2ТіС + В4С и 2HfС + В4С приведена на рис. 2. Нормиро- ванная усадка β = Δl/lm определялась как отношение усадки Δl образ- ца к максимальной величине усадки lm в ходе эксперимента. Вид кривых является типичным для всех рассмотренных смесей. Закономерность изменения кривых усадки образцов в диапазоне температур 1400—1950°С согласуется с данными об увеличении сте- пени превращения карбида металла в борид металла во время роста температуры при протекании рассмотренных топохимических ре- а б Рис. 1. Зависимости степени прохождения реакций в смесях 2ТіС + В4С (1) и 2HfС + В4С (2) от температуры. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕАКЦИОННО-СПЕЧЁННОЙ КЕРАМИКИ 31 акций рис. 1. Образцы, изготовленные в соответствии с реакцией (6), содержат большое количество свободного углерода (33,3 ат.%), находящегося преимущественно в виде графита, который при такой концентра- ции существенно ухудшает механические характеристики полу- ченных материалов [6, 7]. Избыток в исходной шихте (уравнение (6)) одного из реагентов приводит к появлению в спеченной керамике дополнительной фазы (карбида металла или карбида бора), которая упрочняет материал. Эта особенность реакции была положена в основу получения образ- цов по схеме (3). Образцы состава № 1 (2ТіB2 + 3С) имеют микротвердость 18 ГПа, что почти вдвое ниже соответствующего значения для диборида ти- тана. Трещиностойкость образцов – 5±1 МПа⋅м1/2. Образцы составов № 2 и № 3 (2НfB2 + 3С, 2НfB2 + 2НfС + 3С) ха- рактеризуются микротвердостью 7—8 ГПа, и 12—14 ГПа, а трещино- стойкость образцов находится на уровне ≅ 1 МПа⋅м1/2 и 2—3 МПа⋅м1/2 соответственно. Отличие в механических свойствах рассмотренных материалов составов № 1 и № 2 объясняется тем, что при наших условиях спека- ния в образце состава № 1 происходит процесс эвтектического плав- ления (температура эвтектики ТіВ2—С составляет 2110±50°С [8]). Плавление приводит к образованию плотной структуры матричного типа (матрица – ТіВ2, включение – ультрамикродисперсные ча- стицы углерода, размер которых не позволяет идентифицировать их рентгенографическими методами), при этом достаточно крупные зерна (5—8 мкм) эвтектики разделены тонкими (0,01 мкм) прослой- ками графита. Для образцов составов № 2 и № 3 не достигается тем- пература эвтектики HfB2—C (Тэвт = 2340°С [9]), уплотнение материала незначительно, размеры зерен диборида гафния – 1—3 мкм, свобод- а б Рис. 2. Нормированная усадка образцов во время реакционного спека- ния составов 2ТіС + В4С и 2НfС + В4С. 32 И. Ф. КАЗО, С. В.ЧЕРНОБУК, П. П. КОГУТЮК ный углерод выделяется в отдельную кристаллическую фазу (гра- фит) с размерами зерен более 1 мкм. Образцы состава № 1 имеют по- ристость 3%, а образцы состава № 2, № 3 характеризуются высокой пористостью 15—20% и ≅ 10% соответственно. Система TiB2—SiC—C. Упрочнения керамик, получаемых на основе реакции (6), можно добиться путем введения в исходные шихты до- полнительных реагентов, взаимодействующих с углеродом и обра- зующих прочные карбиды при температурах изготовления образ- цов. В качестве такой добавки авторы [10] использовали кремний для создания композиционного материала на основе диборида ти- тана с включениями β-SiC. В этой работе было показано, что кера- мика системы TiB2—SiC—C, полученная реакционным спеканием под давлением химически несовместимых компонентов, обладает более высокими механическими характеристиками, нежели кера- мика аналогичного состава, полученная спеканием под давлением химически совместимых компонентов. Однако анализ особенностей формирования гетерогенной структуры композитов не сделан. Ни- же мы приведем эти результаты. Фазовый состав и структура. По данным рентгенофазового анализа в состав исходной шихты TіС—B4C—Si кроме основных компонентов входит также карбид вольфрама WC в количестве 1—2% вес., что является результатом намола в мельницах с WC футеровкой. Дру- гих примесей рентгенографическими методами не выявлено. После выполнения горячего прессования в полученных материалах фик- сируется исчезновение начальных фаз ТіС, B4C и Si и образование новых – TiВ2, β-SiC и С. Дополнительные эксперименты показали, что не происходит хи- мическое взаимодействие между компонентами в составах ТіС + Si или В4С + Si при нагревании вплоть до температуры 1850°С, давле- нии 10 МПа и времени выдержки 5 мин. Однако, благодаря нали- чию в исходных порошках ТіС и В4С примесного аморфного углеро- да, наблюдается некоторое образование SiC в небольших количе- ствах (приблизительно 2—10% по массе). Полученные результаты свидетельствует о том, что при рассматриваемой схеме синтеза (4) керамики основным фактором, определяющим весь процесс форми- рования материала, является реакция взаимодействия карбида ти- тана с карбидом бора, результатом которой является образование диборида титана и свободного углерода. Часть этого углерода актив- но реагирует с кремнием, а часть остается в свободном состоянии. Следует отметить, что прессование образцов без обмазки из нит- рида бора уже при температурах 1550—1650°С за 300 с приводит к интенсивному образованию прочной и твердой корки (толщиной около миллиметра), состоящей из TiC, SiС и B4C. Образование кор- ки обусловлено взаимодействием Si с углеродом графитовой пресс- формы благодаря процессу диффузии. Этот факт стал причиной МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕАКЦИОННО-СПЕЧЁННОЙ КЕРАМИКИ 33 ошибочной интерпретации результатов механических испытаний в работе [11], а также ошибочному выводу о полном протекании ре- акции при температуре 1550°С. Для выяснения особенностей формирования микроструктуры керамики были выбраны несколько составов с различным содер- жанием кремния. Исходные составы шихты (согласно уравнению (4)) для пяти ти- пов образцов приведены в табл. 1. Ход кривых усадки образцов зависит от доли кремния в исходной шихте рис. 3. Чем большее содержание кремния в составе шихты, тем круче идет кривая усадки в диапазоне температур 1200—1850°С. Особенности уплотнения образцов во время высокотемпературного прессования можно объяснить, исходя из следующих представле- ний. Углерод, выделяющийся во время реакции взаимодействия кар- бида бора и борида металла, локализуется, в основном, в виде вклю- чений на границе раздела растущих зерен TiB2 и исчезающих зерен TiC (внутризеренный углерод). Другая часть углерода (менее 30% ат. ТАБЛИЦА 1. Исходные составы шихты пяти типов образцов. Состав, % (масс.) № образца 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 TiC 30 36 39 43 47 B4C 28 33 36 39 44 Si 42 31 25 18 9 а б Рис. 3. Нормированные кривые усадки от температуры для различных составов образцов, полученных с использованием реакции (4). 34 И. Ф. КАЗО, С. В.ЧЕРНОБУК, П. П. КОГУТЮК от освободившегося во время реакции) сосредоточена в области исче- зающих зерен B4C, практически в пространстве между зернами TiB2 (межзеренный графит). С увеличением степени превращения реак- ции отдельные растущие углеродные включения на границе раздела TiB2—TiC сливаются, образуя протяженные зоны графита, по кото- рым происходит расслоение кристаллов диборида и карбида металла с оголением графитовых участков (чешуек). Расслоение вызывают упругие напряжения, возникающие из-за несоответствия парамет- ров решеток TiB2 и TiC. Углерод во время синтеза существует как бы в двух состояниях: активный (межзеренный графит и открытые гра- фитовые чешуйки), способный вступать в реакцию с кремнием, и ла- тентный (сосредоточен внутри зерен), не взаимодействующий в дан- ный момент с кремнием. Латентный углерод становится активным при увеличении степени превращения реакции. Характер простран- ственного распределения и последующего перераспределения угле- рода в материале во время топохимической реакции (6) влияет на интенсивность образования карбида кремния при получении кера- мики по схеме (4). До температуры 1600°С, во время реакционного спекания под давлением образцов состава № 4.5 (наименьшее содержание крем- ния), синтез β-SiC идет за счет реакции небольшого количества кремния с небольшим количеством межзеренного углерода и обра- зованием рентгеноаморфных включений β-SiC. Эти включения за- трудняют усадку образца. Дальнейшее существенное уплотнение образца (диапазон темпе- ратур 1600—1900°С) происходит путем проскальзывания зерен в керамике благодаря антифрикционным свойствам графитовых че- шуек, которые образуются при расслоении зерен TiB2 и ТiС. Для составов, в которых большое содержание кремния, заметная усадка до температур 1500°С обусловлена пластической деформа- цией кремния, дальнейшее уплотнение происходит в присутствии жидкой фазы (Тпл кремния 1417°С). Малое количество образован- ного SiC не влияет на процесс уплотнения. Интенсивная усадка об- разца при температуре выше 1750°С объясняется взаимодействием кремния и углерода, находящегося ранее в латентных внутризе- ренных графитовых прослойках. Во всех образцах при температурах выше 1950°С происходит активная рекристаллизация, приводящая к росту зерен борида титана и карбида кремния. Следует отметить, что графит не был зарегистрирован рентгенофа- зовым анализом лишь в трех партиях образцов, соответствующих шихтам с максимальным содержанием кремния. Наличие на ди- фрактограммах этих образцов четко выраженного гало (рис. 3, а) позволяет предположить, что в данных образцах свободный углерод находится или в аморфном состоянии, или в виде ультрамикродис- МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕАКЦИОННО-СПЕЧЁННОЙ КЕРАМИКИ 35 персних включений. В образцах двух партий, соответствующих шихтам с минимальным содержанием кремния, вместе с аморфной составляющей уже фиксируются пики, которые отвечают графиту (рис. 3, б). Это объясняется тем, что в этих образцах количество угле- рода достаточно для выделения его в виде отдельной кристалличе- ской фазы графита. Механические свойства. Механические характеристики компо- зитных керамических образцов приведены в табл. 2. Исследуемые материалы составов 4.1—4.4 характеризируются матричной структурой (матрица – ТiB2, включения – SiC) с вы- сокой степенью дисперсности. Как показали электронно-микроскопические исследования об- разца № 4.3 (с наиболее высоким показателем прочности на изгиб), размеры зерен диборида титана находятся в пределах 1—2 мкм. По границам некоторых из них размещены тонкие углеродные про- слойки толщиной < 10 нм (рис. 4, а). Карбид кремния структуриру- ется в виде нанодисперсных зерен размерами 50—100 нм (рис. 4, б). Образование такой мелкодисперсной структуры обусловлено с од- ной стороны большим количеством центров зарождения зерен, с дру- гой стороны остаточный углерод, который локализуется на границах зерен TiB2 и SiC, ослабляет рекристаллизационные процессы. Наблюдаемые высокие локальные механические характеристи- ки синтезированной керамики связаны, прежде всего, с механиз- мом дисперсионного упрочнения диборидной матрицы включения- ми β-SiC. Влияние на прочность материала присутствующего в ке- рамике небольшого количества свободного углерода является по- ложительным. Его мелкодисперсные включения в зернах матрицы тормозят рост и распространение трещин. Сверхтонкие (≅ 10 нм) межзеренные прослойки приводят к зернограничной пластической деформации и повышению вязкости разрушения. Фрактографические исследования поверхности хрупкого разру- шения свидетельствуют о преобладающей роли механизма интер- кристаллитного разрушения (рис. 5, а). Система В4С—НfB2. В основе технологии реакционного формирова- ния керамики состава В4С—НfB2 (по реакции 5) лежит представле- ние о преобладающем протекании следующей топохимической ре- ТАБЛИЦА 2. Механические характеристики образцов системы TiB2—SiC—C. Свойства № образца 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 НV, ГПа 21,5 14,9 18,8 10,6 6,5 K1с, МПа⋅м1/2 6,6 7,6 8,0 4,9 3,5 σизг, МПа 191 312 325 240 135 36 И. Ф. КАЗО, С. В.ЧЕРНОБУК, П. П. КОГУТЮК акции в массиве образца: 2 4 HfC 6B HfB B C 202 кДж.+ → + + (7). Тепловыделение, сопутствующее этой реакции, приводит к разо- греву состава, нежелательному росту зерен и значительной пористо- сти образующегося материала. Для ослабления негативного влияния экзотермического эффекта реакции в исходную шихту добавлен мелкодисперсный карбид бора, который не участвует в химической реакции. Однако он увеличивает теплоемкость смеси, уменьшает по- а б в г Рис. 4. Типичные дифрактограммы образцов системы TiB2—SiC—C (а – для образца № 4.3, б – для образца № 4.5). а б Рис. 5. Зеренная структура композита ТіВ2—SiC—С: а – фаза ТіВ2; б – фаза SiC. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕАКЦИОННО-СПЕЧЁННОЙ КЕРАМИКИ 37 верхность контакта между зернами НfС и В, пространственно огра- ничивает размеры растущих зерен, упрочняет конечную керамику. По результатам количественного рентгенофазового анализа в со- став образцов входит НfB2 (66% масс.) и В4С (33% масс.), а также свободный углерод С (менее 1% масс.) в виде графита. Структура материала матричного типа (рис. 6). В карбидоборной матрице равномерно распределены включения диборида гафния. Размер включений ≅ 1—5 мкм. Микротвердость композита – 27 ГПа, трещиностойкость состав- ляет 6±1 МПа⋅м1/2, что в полтора раза больше, чем соответствующая величина для В4С. Повышение трещиностойкости может быть объ- яснено с точки зрения образования развитой поверхности излома из-за ветвления трещины при ее распространении в дисперсно- упрочненном материале. Прочность на изгиб 270±25 МПа. 4. ВЫВОДЫ Направленное регулирование процесса высокотемпературного твер- дофазного синтеза позволяет формировать композиционные кера- мические материалы на основе диборидов переходных металлов с мелкодисперсной структурой и высокими механическими характе- ристиками. Такой подход служит толчком к созданию новых про- стых и экономичных технологических процессов создания высоко- прочной и вязкой керамики. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. А. И. Быков, И. В. Гриднева, Порошковая металлургия, № 1/2: 52 (1998). а б Рис. 6. Фрактограмма образца материала системы В4С—НfB2. 38 И. Ф. КАЗО, С. В.ЧЕРНОБУК, П. П. КОГУТЮК 2. D. D. Radev and Z. Zakhariev, J. Solid State Chem., 137: 11 (1998). 3. G. Wen, S. B. Li, B. S. Zhang, and Z. X. Guo, Scripta Mater., 43: 853 (2000). 4. B. Y. Wen and T. Q. Zhang, Materials Chemistry and Physics, 97: 277 (2006). 5. І. Ф. Казо, С. В. Чорнобук, Фізика і хімія твердих тіл, 11, № 3: 646 (2010). 6. I. F. Kazo and A. Yu. Popov, Functional Materials, 10, No. 3: 503 (2003). 7. А. Ю. Попов, И. Ф. Казо, В. А. Макара, С. В. Чернобук, Материаловедение, № 8: 31 (2007). 8. А. И. Гусев, Успехи физических наук, 170, № 1: 3 (2000). 9. Металлургия гафния (Ред. Д. Е. Томас, Е. Т. Хейс) (Москва: Металлургия: 1967). 10. S. V. Chornobuk, O. Yu. Popov, І. F. Kazo, and V. А. Makara, Bulletin of Taras Shevchenko National University of Kyiv. Series: Physics & Mathematics, No. 2: 52 (2009). 11. С. В. Чорнобук, А. Ю. Попов, В. А. Макара, Деформация и разрушение ма- териалов, № 11: 15 (2009).

Механические свойства реакционно-спечённой керамики на основе диборидов гафния и титана

Репозитарії

Схожі ресурси