Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях
The crystal structure of aluminum diboride obtained (at high pressures and high temperatures)
 by the sintering of initial aluminum and boron powders, as well as of aluminum and boron
 nitride powders, is refined by using X-ray diffraction method. It is shown that the reactive
...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3136 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях / Н.П. Беженар, С.А. Божко, Н.Н. Белявина, В.Я. Маркив, А.А. Шульженко // Доп. НАН України. — 2007. — № 9. — С. 77-81. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860116773268881408 |
|---|---|
| author | Беженар, Н.П. Божко, С.А. Белявина, Н.Н. Маркив, В.Я. Шульженко, А.А. |
| author_facet | Беженар, Н.П. Божко, С.А. Белявина, Н.Н. Маркив, В.Я. Шульженко, А.А. |
| citation_txt | Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях / Н.П. Беженар, С.А. Божко, Н.Н. Белявина, В.Я. Маркив, А.А. Шульженко // Доп. НАН України. — 2007. — № 9. — С. 77-81. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | The crystal structure of aluminum diboride obtained (at high pressures and high temperatures)
by the sintering of initial aluminum and boron powders, as well as of aluminum and boron
nitride powders, is refined by using X-ray diffraction method. It is shown that the reactive
interaction leads to the formation of solid solutions of light components (N, O, C) on the base
of the nonstoichiometric compound ≈ Al0.9B2.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:36:39Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
9 • 2007
МАТЕРIАЛОЗНАВСТВО
УДК 661.657:548.73
© 2007
Н.П. Беженар, С. А. Божко, Н. Н. Белявина, В.Я. Маркив,
член-корреспондент НАН Украины А.А. Шульженко
Кристаллическая структура диборида алюминия
в композитах КНБ, полученных реакционным
спеканием при высоких давлениях
The crystal structure of aluminum diboride obtained (at high pressures and high temperatures)
by the sintering of initial aluminum and boron powders, as well as of aluminum and boron
nitride powders, is refined by using X-ray diffraction method. It is shown that the reactive
interaction leads to the formation of solid solutions of light components (N, O, C) on the base
of the nonstoichiometric compound ≈ Al0.9B2.
Интерес к исследованию AlB2 в первую очередь вызван тем, что этот борид является одной
из фазовых составляющих инструментальных материалов на основе кубического нитрида
бора cBN, получаемых спеканием в условиях высоких давлений и температур [1]. Поми-
мо хороших механических характеристик диборид алюминия (как и изоструктурные ему
дибориды TiB2, ZrB2 и т. п.) обладает высокой электропроводностью, что делает его пер-
спективным для применения и в функциональных материалах.
Согласно диаграмме состояния системы Al−B, приведенной в [2], при атмосферном дав-
лении диборид алюминия образуется из AlB12 при 1248 К по перитектической реакции. Ре-
зультаты определения кристаллической структуры AlB2 впервые были представлены в ра-
боте [3]: пространственная группа P6/mmm, a = 0,301 нм, c = 0,325 нм, c/a = 1,0797.
Данные [3] о структурной модели диборида алюминия в дальнейшем были многократно под-
тверждены. Однако, если ранее AlB2 рассматривалось как соединение стехиометрического
состава, то авторы [4], исследовавшие его кристаллическую структуру на монокристаллах,
отобранных из слитка, полученного методом электродуговой плавки спрессованных поро-
шков алюминия и бора, показали отклонение состава от стехиометрии (Al0,9B2).
В работе [5] нами показано, что диборид алюминия является одной из фазовых составля-
ющих продуктов реакционного спекания в условиях высокого давления кубического нитри-
да бора и алюминия и что, оптимизируя параметры спекания, можно управлять фазовым
составом продуктов синтеза (а именно, с ростом давления область преимущественной кри-
сталлизации фазы AlB2 на диаграмме плавкости смещается в сторону высоких температур).
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №9 77
Цель данной работы — уточнение кристаллической структуры диборида алюминия, по-
лученного реакционным спеканием при высоком давлении кубического нитрида бора и алю-
миния или алюминия и бора.
Реакционное спекание шихты кубического нитрида бора и алюминия (10 и 50% (мас.)
Al), а также бора и алюминия (54% (мас.) Al) осуществляли в аппаратах высокого давления
типа “наковальня с углублением”. Режим спекания включал предварительную пропитку под
давлением 2,5 ГПа, при температуре 1300 К в условиях несмачивания шихты алюминием,
и последующее реакционное спекание при более высоких p, T -параметрах. Влияние давле-
ния (3÷7,7 ГПа) и температуры (1750÷2700 К) на фазовый состав продуктов реакционного
спекания изучали на композитах, полученных из шихты сBN + 10% (мас.) Al. Композиты
остальных составов спекали при давлении 4,2 ГПа и температуре 1750 К, изменяя схему
снаряжения ячейки высокого давления, а именно, обеспечивая непосредственный контакт
шихты с графитовым нагревателем или защищая шихту от такого контакта слоем порошка
графитоподобного нитрида бора.
Фазовый состав продуктов реакционного спекания определяли методом рентгеновско-
го фазового анализа (автоматизированный рентгеновский дифрактометр ДРОН-3, медное
фильтрованное излучение). Дифракционные данные записывали в дискретном режиме в уг-
ловом интервале от 24 до 140◦: шаг сканирования 0,03 или 0,05◦, время экспозиции в каждой
точке 4 с. Первичную обработку полученных данных (положения центров тяжести Kα1
пиков и значения их интегральных интенсивностей) проводили методом полнопрофильно-
го анализа по комплексу программ [6] c погрешностью ±(0,001 ÷ 0,005◦) и ±(5 ÷ 15%),
соответственно. Качественный и количественный фазовый анализы, уточнение по методу
наименьших квадратов периодов кристаллической решетки каждой фазовой составляющей
(а также ошибки ∆2θ на неточность юстировки образца), уточнение параметров кристалли-
ческих структур идентифицированных фаз выполняли с помощью комплекса программ [6].
Средние значения периодов решетки фазовых составляющих получали статистической
обработкой результатов многофакторного эксперимента на трех — пяти образцах с одина-
ковыми условиями спекания (дисперсия при доверительной вероятности 0,68).
Влияние высокого давления и температуры спекания на фазовый состав ком-
позитов. Исследованы композиты, полученные реакционным спеканием шихты cBN+10%
(мас.) Al. Технологические режимы спекания указаны в табл. 1.
Данные рентгеновского исследования образцов после спекания указывают на то, что все
они трехфазны и содержат исходный cBN, а также продукты его взаимодействия с алюми-
Таблица 1. Периоды кристаллической решетки AlB2, полученного реакционным спеканием шихты cBN +
+ 10% (мас.) Al
T , К p, ГПа
Периоды решетки, нм
c/a
Объем решетки
√
3
2
a2c, нм3
Содержание
AlB2, % (мас.)
a, нм c, нм
300 — 0,30050∗ 0,32537∗ 1,0828 0,02543 100
1750 4 0,3011(2) 0,3259(6) 1,0824 0,02557(9) 9
1750 5 0,30115(9) 0,3262(3) 1,0832 0,02560(4) 12
1750 7,7 0,3016(3) 0,3268(2) 1,0835 0,02573(8) 24
2100 7,7 0,3008(2) 0,3261(8) 1,0841 0,02554(1) 6
2300 7,7 0,3008(4) 0,3262(9) 1,0844 0,02556(1) 6
2700 7,7 0,3008(2) 0,3262(8) 1,0844 0,02556(1) 6
∗Значения периодов решетки согласно [5].
78 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №9
нием (AlN и AlB2). Следует отметить, что наиболее близкими к литературным данным [4]
были значения периодов кристаллической решетки AlB2, полученного спеканием шихты
cBN + 10% (мас.) Al при 1750 К и давлении 4 ÷ 5 ГПа (табл. 1). С повышением давления
вплоть до 7,7 ГПа (при температуре спекания 1750 К) периоды решетки диборида алюми-
ния, как и его содержание в продуктах синтеза, увеличиваются. В образцах же, полученных
при давлении 7,7 ГПа и температурах выше 1750 К, содержание AlB2, напротив, уменьша-
ется. Такая зависимость количества реакционного диборида алюминия от технологических
параметров синтеза, согласно данным [5], связана с влиянием высокого давления на ра-
сширение области стабильности AlB2 вплоть до 1750 К (переход в область стабильности
высших боридов алюминия AlB12, AlB10 при высоком давлении происходит при темпера-
турах выше 1750 К).
Влияние углерода на фазовый состав композитов изучали на образцах, получен-
ных спеканием шихты сBN+50% (мас.) Al или шихты Al+44,5% (мас.) B (состав этой ших-
ты соответствовал стехиометрии фазы AlB2) при температуре 1750 К и давлении 4,2 ГПа.
Поскольку ранее [7] нами была показана возможность массопереноса углерода расплавом
алюминия, источником углерода в данном исследовании служил графитовый нагреватель
из снаряжения ячейки высокого давления. При этом, спекание в контакте с графитовым
нагревателем шихты, содержащей сBN и Al, моделирует процесс получения диборида алю-
миния в продукте реакционного взаимодействия компонентов системы Al−B−N−C, а ших-
ты, содержащей алюминий и бор, — процесс получения диборида алюминия в продукте
реакционного взаимодействия компонентов системы Al−B−C. Введение же прослойки гек-
сагонального нитрида бора в качестве защиты от графитового нагревателя позволяет рас-
сматривать диборид алюминия как продукт реакционного взаимодействия компонентов си-
стемы Al−B−N и системы Al−B соответственно для шихты первого и второго состава.
Согласно данным рентгеновского фазового анализа, образцы, полученные спеканием
шихты cBN+50% (мас.) Al, как с защитной прослойкой hBN, так и без нее, содержат куби-
ческий нитрид бора и продукты его взаимодействия с алюминием — AlB2, AlN. Количество
диборида алюминия, образующегося в композитах, синтезированных из этой шихты, не пре-
вышало 20% (мас.). В композитах же, полученных спеканием алюминия и бора, борид AlB2
является основной фазовой составляющей (до 90% (мас.)). Помимо него образцы содержат
небольшое количество остаточного алюминия и оксида Al2O3.
Усредненные значения периодов кристаллической решетки диборида алюминия приве-
дены в табл. 2. Видно, что для образцов данной серии вне зависимости от наличия контакта
шихты с углеродным нагревателем характерно увеличение периодов и, как следствие объе-
ма, элементарной ячейки. В целом относительное увеличение объема элементарной ячейки
составляет 0,03 ÷ 0,44%.
Уточнение кристаллической структуры AlB2, полученного реакционным спеканием при
высоком давлении, выполнено на двух образцах, синтезированных по обеспечивающей за-
щиту от контакта с углеродным нагревателем схеме из шихты алюминия и бора, а также
из шихты алюминия и нитрида бора (50% (мас.)). Реализация такой схемы исключала вли-
яние углерода на образование диборида алюминия.
Как стартовая для структурных расчетов была использована модель кристаллической
структуры AlB2, предложенная авторами [4]. Принимая во внимание, что координатные
параметры задействованных в данной модели позиций 1(a) и 2(d) фиксированы, уточняли
лишь коэффициенты их заполнения атомами, а также значения изотропных температурных
поправок.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №9 79
Результаты уточнения в указанных выше образцах кристаллической структуры дибо-
рида алюминия, полученного реакционным спеканием при высоком давлении, показывают:
1) правильная система точек 1(a) дефектна, а ее заполнение атомами алюминия в целом
отвечает составу Al0,9B2 (табл. 3);
2) правильная система точек 2(d) заполнена полностью, однако помимо атомов бора
в ней статистически размещены атомы более тяжелых компонентов (C, N и/или O).
На основе технологических особенностей синтеза (состав шихты, ее защита от графи-
тового нагревателя), а также с учетом фазового состава полученного композита (наличие
в продуктах синтеза Al2O3 или AlN) рассмотрены возможность замещения бора кислоро-
дом (шихта Al + 44,5% (мас.) В) или возможность замещения бора азотом (шихта Al+ 50%
(мас.) cВN). Уточненные составы фаз приведены в табл. 3.
Таким образом, на основании уточнения кристаллической структуры можно заключить,
что в результате реакционного спекания при высоком давлении шихты алюминия и бора
(или шихты алюминия и нитрида бора) образуются твердые растворы замещения на основе
диборида алюминия ≈ Al0,9B2. Атомы кислорода, азота, а, возможно, и углерода, замещают
атомы бора в графитоподобных сетках, оказывая влияние на размер элементарной ячейки
Таблица 2. Периоды кристаллической решетки AlB2, полученного реакционным спеканием шихты Al+cBN
или Al + B
Доступ
углерода T , К p, ГПа
Периоды решетки, нм
c/a
Объем решетки
√
3
2
a2c, нм3
Содержание
AlB2, % (мас.)
a, нм c, нм
— 300 — 0,30050∗ 0,32537∗ 1,0828 0,02543 100
Шихта Al + 50% (мас.) cBN
— 1750 4,2 0,3010(1) 0,3272(1) 1,0870 0,02566(1) 21
C 1750 4,2 0,3011(1) 0,3273(3) 1,087 0,02568(3) 21
Шихта Al + 44,5% (мас.) В
— 1750 4,2 0,3008(1) 0,3270(1) 1,0868 0,02561(1) 90
C 1750 4,2 0,3010(1) 0,3276(2) 1,0883 0,02570(1) 82
∗Значения периодов решетки согласно [5].
Таблица 3. Структурные данные диборида алюминия, полученного реакционным спеканием при высоком
давлении
Позиция X Y Z
Шихта Al + 44,5% (мас.) В Шихта Al + 50% (мас.) cBN
Атом
Коэффициент
заполнения Атом
Коэффициент
заполнения
1a 0 0 0 Al 0,920(5) Al 0,93(1)
2d 0,333 0,667 0,5 0,97B + 0,03O 1,000(5) 0,72B + 0,28N 1,000(3)
Фаза Al0,92(B0,97O0,03)2 Al0,93(B0,72N0,28)2
Пространственная группа P6/mmm (191) P6/mmm (191)
Периоды решетки, нм a = 0,30098(2) a = 0,3011(2)
c = 0,32753(4) c = 0,3270(2)
Объем решетки, нм3 0,02570 0,02568
Рентгеновская плотность, г/см3 3,053 3,14
Независимые отражения 17 17
Общий изотропный 1,28(6) · 10−2 2,74(4) · 10−2
температурный фактор, B, нм2
Фактор недостоверности RW 0,027 0,078
80 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №9
в целом. Дальнейшие наши исследования будут направлены на выявление механизма, при-
водящего к изменению размеров решетки диборида алюминия в продуктах реакционного
спекания.
В целом, результаты настоящего исследования кристаллической структуры “AlB2”, син-
тезированного в составе композитов кубического нитрида бора в условиях высоких давле-
ний и температур, важны, поскольку указывают на возможность регулировать свойства
разрабатываемых композитов cBN за счет образования на основе изоструктурных дибо-
ридов (AlB2, TiB2, ZrB2) твердых растворов (как взаимных, так и содержащих легкие
компоненты).
1. Сверхтвердые материалы. В 6-ти т. Т. 1. Синтез алмаза и подобных материалов. – Киев: ИСМ, ИПЦ
“Алкон” НАН Украины, 2003. – С. 234–258.
2. Кислый П.С., Неронов В.А., Прихна Т.А., Бевза Ю.В. Бориды алюминия. – Киев: Наук. думка,
1990. – 192 с.
3. Hofmann W., Jänice W. Die Structare von Alluminiumborid AlB2 // Z. Phys. Chem. – 1936. – 31, No 3. –
S. 214–222.
4. Burkhard U., Gurin V., Haarmann F. et al. On the electronic and structural properties of aluminium
diboride Al0.9B2 // Solid State Chemistry. – 2004. – 177. – P. 389–394.
5. Беженар Н.П., Божко С.А., Белявина Н.Н. и др. Фазовый состав поликристаллов, полученных
при реакционном спекании кубического нитрида бора с алюминием // Сверхтв. материалы. – 2002. –
№ 1. – С. 37–48.
6. Маркiв В.Я., Бєлявiна Н.М. Апаратно-програмний комплекс для дослiдження полiкристалiчних ре-
човин за їх дифракцiйними спектрами // Тез. доп. II Мiжнар. конф. “Конструкцiйнi та функцiональнi
матерiали”. КФМ 97. – Львiв, 1997. – С. 260–261.
7. Беженар М.П., Божко С.А., Нагорний П.А. та iн. Взаємодiя кубiчного нiтриду бору з алюмiнiєм
в присутностi вуглецю // Сверхтв. материалы. – 2000. – № 4. – С. 36–40.
Поступило в редакцию 13.03.2007Институт сверхтвердых материалов
им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №9 81
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-3136 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:36:39Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Беженар, Н.П. Божко, С.А. Белявина, Н.Н. Маркив, В.Я. Шульженко, А.А. 2009-07-01T09:29:30Z 2009-07-01T09:29:30Z 2007 Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях / Н.П. Беженар, С.А. Божко, Н.Н. Белявина, В.Я. Маркив, А.А. Шульженко // Доп. НАН України. — 2007. — № 9. — С. 77-81. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3136 661.657:548.73 The crystal structure of aluminum diboride obtained (at high pressures and high temperatures)
 by the sintering of initial aluminum and boron powders, as well as of aluminum and boron
 nitride powders, is refined by using X-ray diffraction method. It is shown that the reactive
 interaction leads to the formation of solid solutions of light components (N, O, C) on the base
 of the nonstoichiometric compound ≈ Al0.9B2. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Матеріалознавство Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях Article published earlier |
| spellingShingle | Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях Беженар, Н.П. Божко, С.А. Белявина, Н.Н. Маркив, В.Я. Шульженко, А.А. Матеріалознавство |
| title | Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях |
| title_full | Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях |
| title_fullStr | Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях |
| title_full_unstemmed | Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях |
| title_short | Кристаллическая структура диборида алюмини в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях |
| title_sort | кристаллическая структура диборида алюмини в композитах кнб, полученных реакционным спеканием при высоких давлениях |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3136 |
| work_keys_str_mv | AT beženarnp kristalličeskaâstrukturadiboridaalûminivkompozitahknbpolučennyhreakcionnymspekaniemprivysokihdavleniâh AT božkosa kristalličeskaâstrukturadiboridaalûminivkompozitahknbpolučennyhreakcionnymspekaniemprivysokihdavleniâh AT belâvinann kristalličeskaâstrukturadiboridaalûminivkompozitahknbpolučennyhreakcionnymspekaniemprivysokihdavleniâh AT markivvâ kristalličeskaâstrukturadiboridaalûminivkompozitahknbpolučennyhreakcionnymspekaniemprivysokihdavleniâh AT šulʹženkoaa kristalličeskaâstrukturadiboridaalûminivkompozitahknbpolučennyhreakcionnymspekaniemprivysokihdavleniâh |