Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния
Представлены структура и механические характеристики керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния, полученных методом реакционного горячего прессования. Показано, что ультрадисперсная структура обеспечивает высокие механические характеристики синтезированных композитов....
Saved in:
| Published in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63383 |
| 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: | Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния / С.В. Чорнобук, А.Ю. Попов, В.А. Макара // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 2. — С. 22-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860127829137555456 |
|---|---|
| author | Чорнобук, С.В. Попов, А.Ю. Макара, В.А. |
| author_facet | Чорнобук, С.В. Попов, А.Ю. Макара, В.А. |
| citation_txt | Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния / С.В. Чорнобук, А.Ю. Попов, В.А. Макара // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 2. — С. 22-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Представлены структура и механические характеристики керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния, полученных методом реакционного горячего прессования. Показано, что ультрадисперсная структура обеспечивает высокие механические характеристики синтезированных композитов.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:43:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 22
УДК 621.762
С. В. Чорнобук, А. Ю. Попов, В. А. Макара (г. Киев)
Структура и механические свойства
реакционноспеченных керамических
композиционных материалов на основе
диборидов титана и гафния
Представлены структура и механические характеристики ке-
рамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния,
полученных методом реакционного горячего прессования. Показано, что ультра-
дисперсная структура обеспечивает высокие механические характеристики
синтезированных композитов.
Ключевые слова: структура, механические свойства, реакцион-
носпеченные керамические композиционные материалы, дибориды титана, гаф-
ния.
Одним из новых и наиболее перспективных методов изготов-
ления высокопрочных керамических материалов на основе диборидов пере-
ходных металлов, позволяющих снизить температуру и время процесса, яв-
ляется использование физико-химического взаимодействия между карбидами
металлов и карбидом бора во время горячего прессования смеси соответст-
вующих порошков [1—3]. Результатом такого взаимодействия является обра-
зование диборида металла и выделение свободного углерода. Условное урав-
нение реакции имеет вид
C3МеB2CBMeC2 2
τ,,
4 +⎯⎯ →⎯+ pT , (Me = Ti, Zr, Hf).
Данная реакция по температурному эффекту является экзотермической.
Дополнительное тепловыделение в процессе синтеза композитов способству-
ет быстрому и стопроцентному уплотнению материалов.
Однако образцы, изготовленные в соответствии с указанной реакцией, со-
держат большое (до 40 % (по объему)) количество свободного углерода в
виде графита, который негативно влияет на механические свойства получен-
ных материалов [3]. Для изготовления прочных композитов необходимо
уменьшить количество графитной фазы, что достигают добавлением в шихту
компонентов, которые при температурах изготовления образцов вступают в
химическую реакцию с углеродом и образуют прочные тугоплавкие соедине-
ния. В качестве таких добавок используют кремний, аморфный бор и некото-
рые металлы. В результате образуется композиционный материал на основе
диборида металла с включениями SiC, B4C или карбидов металлов. Допусти-
мо также наличие в композитах некоторой доли свободного углерода, по-
скольку при оптимальном содержании он может способствовать увеличению
трещинностойкости керамики [4].
В представленной работе исследованы структура и механические свойства
керамических композиционных материалов на основе диборида титана и
диборида гафния, полученных с использованием указанной методики. Образ-
© С. В. ЧОРНОБУК, А. Ю. ПОПОВ, В. А. МАКАРА, 2009
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 2 23
цы составов В4С—НfB2 и TiB2—SiC—C были изготовлены в соответствии с
условными формулами химических реакций
C2BHfB6CBHfC 42
,,
4 +⎯⎯ →⎯++ τpTB ;
1,5C1,5SiC2TiB1,5SiCB2TiC 2
,,
4 ++⎯⎯ →⎯++ τpT .
Параметры процесса реакционного горячего прессования были такими:
температура спекания Т = 2150 °С, давление р = 35 МПа, время изотермиче-
ской выдержки под давлением t = 8 мин.
Горячее прессование проводили на установке полупромышленного типа
СПД-120 с индукционным нагревом в графитовых пресс-формах без защит-
ной среды.
Фазовый состав полученных материалов изучали методом рентгенофазо-
вого анализа. Рентгенодифракционные данные получали на автоматизиро-
ванном дифрактометре ДРОН-3 (CuKα-излучение, съемка в дискретном ре-
жиме, шаг сканирования — 0,05°, экспозиция — 3 с, угловой интервал —
20—140°). Интерпретацию данных осуществляли с помощью программы по
фазовому анализу, укомплектованной базой данных дифракционных спек-
тров эталонных соединений.
Структуру шлифов и изломов исследовали с помощью оптической и рас-
тровой электронной микроскопии.
Прочность при изгибе определяли методом четырехточечной нагрузки на
установке УП-8 (плечо 1:50); микротвердость по Виккерсу и коэффициент
трещиностойкости измеряли методом индентирования на приборе ПМТ-3М
(модернизированном), рассчитанном на максимальную нагрузку 120 Н. На-
грузка на индентор при измерении микротвердости составляла 1 Н, а при
измерении трещиностойкости — 116 Н.
Система В4С—НfB2. По результатам количественного рентгенофазового
анализа в состав образцов входит НfB2 (66 % (по массе)) и В4С (33 % (по
массе)), а также свободный углерод С в виде графита (менее 1 % (по массе).
Структура материала — матричного типа (рис. 1).
10 мкм
Рис. 1. Фрактограмма образца материала системы В4С—НfB2.
В матрице из карбида бора равномерно распределены включения дибори-
да гафния. Размер включений ~ 1—5 мкм. Анализ микрофотографий шлифов
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 24
и изломов образцов подтверждает предположение о том, что формирование
структуры материала происходит в присутствии жидкой фазы.
Трещиностойкость композита при микротвердости 27 ГПа составляет
∼ 6 МПа·м1/2, что в полтора раза выше, чем соответствующая величина для
В4С. Повышение трещиностойкости может быть объяснено задержкой тре-
щины на высокомодульных включениях НfB2. Прочность на изгиб находится
на уровне 270 МПа.
Система TiB2—SiC—C. По данным рентгенофазового анализа получен-
ные образцы состоят из диборида титана TiB2 (65 % (по массе)), карбида
кремния SiС (27 % (по массе)), карбида титана TiC (5 % (по массе)) и свобод-
ного углерода С в виде графита (3 % (по массе)). Наличие карбида титана в
спеченных образцах связано с частичным выгоранием карбида бора в про-
цессе синтеза, а именно: поскольку процес формирования образцов проходит
на воздухе, то в результате реакций между компонентами шихты возможно
образование летучих при данных температурах соединений бора BO↑ и
B2O3↑, что приводит к снижению содержания бора в шихте и влечет за собой
неполное прохождение реакции.
Исследуемый материал также характеризируется матричной структурой
(матрица — ТiB2, включения — SiC) с высокой степенью дисперсности (рис. 2).
10 мкм
Рис. 2. Микроструктура материала ТіВ2—SiC—С (светлые участки — фаза ТіВ2, темные
— фаза SiC).
Размеры зерен диборида титана находятся в пределах 1—2 мкм, по грани-
цам некоторых из них размещены тонкие углеродные прослойки толщиной
< 10 нм (рис. 3, а). Карбид кремния структурируется в виде нанодисперсных
зерен размерами 50—100 нм (рис. 3, б).
Формирование столь мелкородисперсной структуры происходит вследст-
вие экранирования частиц TiB2 и SiC включениями углерода, который осво-
бождается в процессе синтеза и, выходя на границы зерен, подавляет рекри-
стализационные процессы.
Такая структура, в свою очередь, обеспечивает высокие механические ха-
рактеристики композита. Прочность на изгиб составляет 350 МПа, микро-
твердость — 24 ГПа при трещиностойкости 8,5 МПа·м1/2.
Повышение коэффициента трещиностойкости связано с разными меха-
низмами. Во-первых, в полученном композите реализуется механизм диспер-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 2 25
сионного упрочнения диборидной матрицы включениями SiC; во-вторых,
углерод, расположенный на границах зерен, способствует микрорастрескива-
нию и ветвлению трещин, что ведет к увеличению поверхностной энергии
разрушения.
Разрушение материала происходит путем интеркристаллитного излома
(см. рис. 3).
200 нм
а
100 нм
б
Рис. 3. Зеренная структура композита ТіВ2—SiC—С: фазы ТіВ2 (а) и SiC (б).
Таким образом, в данной работе показано, что использование метода ре-
акционного горячего прессования для изготовления композиционных кера-
мических материалов на основе диборидов переходных металлов приводит к
формированию мелкодисперсной структуры, обеспечивающей высокие ме-
ханические характеристики полученных композитов.
1. Быков А. И., Гриднева И. В. Взаимодействие карбида бора с карбидами титана и цирко-
ния под давлением // Порошк. металлургия. — 1998. — № 1/2. — С. 52—55.
2. Kazo I. F., Popov A. Yu. Mechanical properties of TiB2—TiC—C* ceramic materials // Func-
tional Materials. — 2003. — 10, N 3. — P. 503—506.
3. Попов А. Ю., Казо И. Ф., Макара В. А., Чернобук С. В. Структурно-фазовые превраще-
ния в процессе синтеза композиционных материалов на основе карбидов и боридов ти-
тана и гафния с ультрадисперсными включениями углерода // Материаловедение. —
2007. — № 8. — С. 31—35.
4. Schwetz K. A., Sigl L. S., Pfau L. Mechanical properties of injection molded B4C—C ceramics
// J. Solid State Chem. — 1997. — 133, N 1. — P. 68—76.
Учебно-научный центр “Физико-химическое материаловедение” Поступила 22.12.08
Киевского национального ун-та имени Тараса Шевченко
и Национальной академии наук Украины
Киевский национальный ун-т имени Тараса Шевченко
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63383 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:43:22Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Чорнобук, С.В. Попов, А.Ю. Макара, В.А. 2014-05-31T19:19:39Z 2014-05-31T19:19:39Z 2009 Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния / С.В. Чорнобук, А.Ю. Попов, В.А. Макара // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 2. — С. 22-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63383 621.762 Представлены структура и механические характеристики керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния, полученных методом реакционного горячего прессования. Показано, что ультрадисперсная структура обеспечивает высокие механические характеристики синтезированных композитов. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния Article published earlier |
| spellingShingle | Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния Чорнобук, С.В. Попов, А.Ю. Макара, В.А. Получение, структура, свойства |
| title | Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния |
| title_full | Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния |
| title_fullStr | Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния |
| title_full_unstemmed | Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния |
| title_short | Структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния |
| title_sort | структура и механические свойства реакционноспеченных керамических композиционных материалов на основе диборидов титана и гафния |
| topic | Получение, структура, свойства |
| topic_facet | Получение, структура, свойства |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63383 |
| work_keys_str_mv | AT čornobuksv strukturaimehaničeskiesvoistvareakcionnospečennyhkeramičeskihkompozicionnyhmaterialovnaosnovediboridovtitanaigafniâ AT popovaû strukturaimehaničeskiesvoistvareakcionnospečennyhkeramičeskihkompozicionnyhmaterialovnaosnovediboridovtitanaigafniâ AT makarava strukturaimehaničeskiesvoistvareakcionnospečennyhkeramičeskihkompozicionnyhmaterialovnaosnovediboridovtitanaigafniâ |