Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности
Appraisal of compression nanopowder of boron nitride with change his thermal conductivity.
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22609 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности / Г.Р. Петросян, В.С. Панов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 347-351. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-22609 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Петросян, Г.Р. Панов, В.С. 2011-06-26T21:38:29Z 2011-06-26T21:38:29Z 2009 Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности / Г.Р. Петросян, В.С. Панов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 347-351. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22609 621.762.4:661.657.5-022.532 Appraisal of compression nanopowder of boron nitride with change his thermal conductivity. Авторы выражают благодарность доц., к.т.н. Н.И. Борисенко (ЭПИ филиал МИСиС) за помощь, оказанную при проведении ряда экспериментов. Работа выполнена при поддержке РФФИ с грант 07-08-00035. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности |
| spellingShingle |
Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности Петросян, Г.Р. Панов, В.С. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title_short |
Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности |
| title_full |
Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности |
| title_fullStr |
Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности |
| title_full_unstemmed |
Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности |
| title_sort |
оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности |
| author |
Петросян, Г.Р. Панов, В.С. |
| author_facet |
Петросян, Г.Р. Панов, В.С. |
| topic |
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| topic_facet |
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| description |
Appraisal of compression nanopowder of boron nitride with change his thermal conductivity.
|
| issn |
XXXX-0065 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22609 |
| citation_txt |
Оценка уплотняемости нанопорошка нитрида бора по изменению его теплопроводности / Г.Р. Петросян, В.С. Панов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 347-351. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT petrosângr ocenkauplotnâemostinanoporoškanitridaborapoizmeneniûegoteploprovodnosti AT panovvs ocenkauplotnâemostinanoporoškanitridaborapoizmeneniûegoteploprovodnosti |
| first_indexed |
2025-11-27T03:49:23Z |
| last_indexed |
2025-11-27T03:49:23Z |
| _version_ |
1850797866180673536 |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
347
6. Biosensing properties of nanocrystalline diamond film grown on polycrystalline diamond
electrodes / S.S. Pei, P.L. Kian, C.P. Wei, Z. Heng. //Diamond Relat. Mater. – 2005. – 14. –
N 3–7 . – P. 426–431.
7. Электрокатализ кислородной реакции на электродах, изготовленных с использовани-
ем дисперсных синтетических алмазов, проиотированных порфирином кобальта и его
пирополимерами / Г.В. Жутаева, К.А. Радюшкина, М.А. Маринич и др.// Электрохи-
мия. – 2001. – 37. – № 10. – С. 1223–1228.
8. Исследование электродов из нанокомпозитов алмаз-пироуглерод с помощью интерка-
ляции лития / Ю.В. Плесков, Т. Л. Кулова, А.М. Скундин и др. //Электрохимия. –
2004. – 40. – № 12. – С.1508–1513.
9. Электрохимическое поведение компактов из нано- и микро- дисперсных порошков
алмазов в водных электролитах/И.А. Новоселова, Е.Н. Федоришена, А.А. Бочечка и
др. //Физика твердого тела. – 2004. – 46. – № 4. – С. 727–729.
10. Новоселова И.А., Федоришена Е.Н., Панов Э.В. Электроды на основе алмазных и ал-
мазоподобных материалов для электрохимического применения //Сверхтвердые ма-
тер. – 2007. – № 1. – С. 32–50.
Поступила 11.06.09
УДК 621.762.4:661.657.5-022.532
Г. Р. Петросян, В. С. Панов, д-р техн. наук
Московский Государственный технологический университет стали и сплавов, Россия
ОЦЕНКА УПЛОТНЯЕМОСТИ НАНОПОРОШКА НИТРИДА БОРА
ПО ИЗМЕНЕНИЮ ЕГО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Appraisal of compression nanopowder of boron nitride with change his thermal conductiv-
ity.
Нитрид бора (BN) и материалы на его основе занимают заметное место в ряду важ-
нейших инструментальных материалов (керамика, сверхтвердые материалы и др) и являются
основой многих современных технологий и широко применяютяс в реакциях промышленно-
го органического синтеза, при крекинге нефти, в изделиях высокотемпературной техники,
производстве полупроводников, получении высокочистых металлов, газовых диэлектриков,
в качестве огнетушащего средства, в атомной промышленности и др. [1]. Основанием для
такого широкого их являются свойства, существенно зависящие от получаемой пористости
изделий. Термодинамические особенности полиморфизма нитрида бора обусловили появле-
ние большого количества материалов на основе его плотных модификаций и различных тех-
нологий получения.
В настоящее время остро стоит вопрос изучения технологии получения керамических
материалов с высокой теплопроводностью и высоким электросопротивлением, которые при-
меняются в качестве режущего инструмента, изоляторов в трубчатых нагревателях и т. п.
Получение изделий из BN методом порошковой металлургии невозможно, поскольку
прессование порошка нитрида бора с частицами размером 60–120 нм очень затруднено, осо-
бенно при необходимости получения прессовки без применения пластификаторов [2]. Прес-
сование в стальных пресс-формах невозможно даже при максимально возможном давлении
прессования, так как довольно прочная самосвязанная прессовка не образуется из-за отсут-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
348
ствия пластичности, высокой твердости и абразивности этого алмазоподобного соединения
[3, 4]. При давлении 7,7 ГПа плотность не превышает 20 %.
Фактически опрессовывание позволяет только уменьшить насыпной объем порошко-
вого образца вследствие его деаэрации, что наиболее существенно для микропорошков низ-
ких фракций. Метод компактирования с пластификаторами и связующими материалами ши-
роко используемый в порошковой металлургии, также неприменим для BN, так как после-
дующий длительный обжиг опасен не только нежелательным науглероживанием и окисле-
нием микропорошка, но и фазовым превращением метастабильного BN в графитоподобный
при температуре обжига выше 1600 К.
Известны несколько способов предварительного прессования BN в пресс-форме [5].
Уплотнение утряской или трамбовкой, приводящее к уменьшению объема свободно
насыпанного порошка, применяется для заполнения пресс-формы.
Для гексагонального нитрида бора известен способ прессования смеси нанопорошка
нитрида бора с добавлением более крупного, с микронным размером частиц, которые легко
разрушаются или деформируются [4, 5]. В этом случае частицы микропорошка играют роль
своеобразной связки, удерживающей прессовку от разрушения за счет создания некоего кар-
каса из деформированных микрочастиц.
Роль связки в данном случае должен сыграть микропорошок из оксида магния, обла-
дающего высокой теплопроводностью, а его электросопротивление его не существенно, если
не превышает порогового значения.
Данная работа посвящена выбору состава и разработке технологии получения ком-
пактных изделий из нитрида бора5.
Для исследования был выбран гексагональный нитрид бора размером частиц 60–80
нм. Размер частиц оксида магния составлял 5–8 мкм. Насыпную плотность определяли по
массе свободно насыпанного порошка с помощью волюмометра [6]. Для уплотнения микро-
порошков прессованием использовали цилиндрическую пресс-форму. В расчетах пористости
образцов принимали плотность беспористого образца равную 3,49 г/см3. О величине порис-
тости судили по теплопроводности. Разработанную технологию проверяли на втулках разной
толщины.
Поскольку известно, что с уменьшением размеров частиц порошка увеличивается ко-
личество точек их контакта и повышается теплопроводность [4], применяли ультрадисперс-
ный порошок нитрида бора, спрессованный по обычной технологии. Прессованный материал
выбран также потому, что ультрадисперсные частицы имеют более однородную структуру,
т. е. более низкую плотность дислокаций либо не имеют их при соответствующем размере
частиц. В свою очередь это определяет высокую теплопроводность, которая в данном случае
зависит только от состояния поверхности частиц и плотности их контакта. Если при изготов-
лении использовать монокристальные наполнители в виде втулок, то при последующих опе-
рациях монокристалл трескается по плоскостям сдвига и по трещинам образуются границы с
высоким теплосопротивлением, поскольку надежного контакта образовавшихся поверхно-
стей достичь не удается [7]. При опрессовке втулок, спрессованных из выбранного порошка,
они не разрушаются, а частицы перераспределяются в объеме в соответствии с приложен-
ным усилием и наличием пустот между частицами. При этом количество точек контакта не
уменьшается, а может даже увеличиваться. При этом повышается плотность контакта час-
тиц порошка [3].
Как показали расчеты, а впоследствии и измерения, теплопроводность раздробленных
монокристальных наполнителей снижается по сравнению с теплопроводностью монокри-
сталла в 10–15 раз, а теплопроводность прессованных наполнителей – в 5–6 по сравнению с
теплопроводностью монокристалла, т. е. становится выше теплопроводности раздробленного
монокристалла, причем с уменьшением размеров частиц теплопроводность монотонно по-
вышается [7].
5 В экспериментальной части работы принимал участие докторант Басов В. В.
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
349
Для того, чтобы получить требуемую теплопроводность, и остаточную прочность
прессовки и осуществить технологическую операцию – перегрузку вставки, необходимо бы-
ло установить минимальное давление прессования. В этой связи, прежде всего, рассчитали
теплопроводность нитрида бора в свободной засыпке при некотором произвольном уплотне-
нии и по таблицам – теплопроводность монокристалла при различных температурах. По та-
кому расчету для нитрида бора был построен график (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость теплопроводности от температуры для нитрида бора: 1 – монокри-
сталл, 2 – спрессованный порошок, 3 – порошок при свободной засыпке
По данным рис. 1 построили срез графиков для рабочей температуры 973 К (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость теплопроводности от степени уплотнения
Горизонтальные прямые с соответствующей требуемой теплопроводностью 4–5
Вт/(м×К) соответствуют степени уплотнения порошка изолирующего материала. После по-
строения сечений были найдены полиноминальные уравнения аппроксимаций. Для нитрида
бора
Y(x) = - 4,565x2+15,871x+0,029,
где, Y – теплопроводность, x – температура.
Однако такой степени уплотнения соответствуют нагрузки на детали пресс-формы,
превышающие предел прочности большинства инструментальных материалов.
Требуемую степень уплотнения удалось получить добавлением частиц порошка
большей крупности из материала, не существенно влияющего на теплоэлектрические свой-
ства изделия и имеющего меньшую твердость, чем основной материал теплопроводного на-
полнителя. При этом рассчитали предельное количество присадки (в качестве наполнителя
выбрали оксид магния), необходимое для повышения коэффициента трения между частица-
ми нитрида бора, поскольку последний является твёрдой смазкой. При последующем прес-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
350
совании образуется устойчивый каркас, позволяющий сохранять форму и размеры изделия
при дальнейших технологических операциях.
Результаты построения совместного графика изменения теплопроводности в зависи-
мости от концентрации веществ в смеси показывают, что состав смеси можно выбрать толь-
ко с учетом прессуемости и электропроводности, поскольку теплопроводность смеси нитри-
да бора и оксида магния всегда превышает заданный предел.
Построение математической модели для плотных упаковок из частиц двух размеров,
подобных размерам оксида магния и нитрида бора [8] позволяет определить соотношение
между содержанием частиц разного размера.
Расчетом было установлено давление прессования, необходимое для получения тре-
буемой плотности и теплопроводности изделия из нитрида бора с оксидом магния. Таким
образом, найдены интервалы требуемой степени уплотнения для каждого из исследуемых
материалов (табл. 1). Данные о зависимости теплопроводности от различной степени уплот-
нения (0 и 0,4) для BN и MgO приведены в табл. 2.
Таблица 1. Интервалы требуемой степени уплотнения
Таблица 2. Зависимость теплопроводности от различных степеней уплотнения
Соединение Теплопроводность вт/(м×К) Пористость
BN 0,029
MgO 0,035 0
BN 4,526
MgO 17,165 0,4
Предложенная технология была проверена на втулках различной толщины стенок.
Общий вид спрессованных по этой технологии изделий с различной толщиной стенок пока-
заны на рис. 3. Толщина стенок наименьшей втулки – 1,2 мм.
Рис. 3. Спрессованные образцы с различной толщиной стенок:
А – с толщиной стенок 3 мм; Б –2 мм; В –1,2 мм
Использовав предложенную технологию можно получить требуемые изделия с доста-
точной прочностью, позволяющей манипулировать ими.
Выводы
1. Расчетным путем установлены зависимости теплопроводности от степени уплотне-
ния нанопорошка нитрида бора с добавкой оксида магния.
Степень уплотнения Вещество минимум максимум средняя
BN 0,275 0,350 0,312
MgO 0,358 0,462 0,410
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
351
2. Разработана технология прессования втулок с «тонкой» стенкой из порошка нитри-
да бора с добавкой оксида магния.
Авторы выражают благодарность доц., к.т.н. Н. И. Борисенко (ЭПИ филиал МИСиС)
за помощь, оказанную при проведении ряда экспериментов.
Работа выполнена при поддержке РФФИ с грант 07-08-00035.
Литература
1. Гёринг Х. Полупроводниковые соединения AIIIBV. – М. Металлургия, 1967. – 728 с.
2. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований. /
Под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса. Пер. с англ. – М.: Мир, 2002. –
292 с.
3. Борисенко Н. И., Петросян Г. Р. Формирование наноструктурной переуплотняемой
композиции на основе нитрида бора // Конструкции из композиционных материалов.
– 2007. – № 3. – С. 33–37.
4. Спечённые материалы для электротехники и электроники. Справочник / Г. Г. Гнесин,
В. А. Дубок, Г. Н. Братерская и др. – М.: Металлургия, 1981. – 344 с.
5. Никитина М. В., Петруша И. А. Холодное уплотнение микропорошков кубического
нитрида бора без применения пластификатора // Породоразрушающий и металлооб-
рабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения:
сб. науч. тр.– Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2008. – Вып. 11. – С. 212–
218.
6. Либенсон Г. А., Лопатин В. Ю., Комарницкий Г. В. Процессы порошковой металлур-
гии: В 2 т. Т. 2. Формование и спекание: Учебник для вузов. – М.: МИСИС, 2002. –
320 с.
7. Вайнштейн Б. К. Современная кристаллография: В 4 т. Т. 4. Физические свойства
кристаллов. – М.: Наука, 1979. – 384 с.
8. Моделирование структуры функционального твёрдого сплава с наноструктурными
составляющими. / А. А. Афанасьев, Н. И. Борисенко, О. Н. Борисенко, П. А. Лисин //
Конструкции из композиционных материалов. – 2007. – № 3. – С. 25–30.
Поступила 06.04.09
УДК 621.922.079:678
А. А. Шульженко, член-кор. НАН Украины, О. А. Розенберг, д-р техн. наук,
А. Н. Соколов, канд. техн. наук
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР НА СТРУКТУРУ
МОНОКРИСТАЛЛА САПФИРА
The impact of thermal processing under high pressures has been studied, in different envi-
ronments on the structure and properties of monocrystal sapphire.
Научно-технический прогресс ставит перед материаловедами задачи, которые невоз-
можно решить общепринятыми технологическими приемами. Одним из путей выхода из соз-
|