Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия

При давлении ∼ 7,7 ГПа в диапазоне температур 1000—1900°С исследована термическая устойчивость квазикристаллической наноструктуры пиролитического нитрида бора (ПНБ) плотностью ρ ≈ 2 г/см3 . Одновременно р, Т-воздействию подвергали компактные образцы (ρ ≈ 1,83 г/см3 ) из высококристаллического пор...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Дата:2009
Автори: Никишина, М.В., Иценко, П.П.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76412
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:Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия / М.В. Никишина, П.П. Иценко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 505-516 . — Бібліогр.: 24 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859519295930761216
author Никишина, М.В.
Иценко, П.П.
author_facet Никишина, М.В.
Иценко, П.П.
citation_txt Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия / М.В. Никишина, П.П. Иценко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 505-516 . — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description При давлении ∼ 7,7 ГПа в диапазоне температур 1000—1900°С исследована термическая устойчивость квазикристаллической наноструктуры пиролитического нитрида бора (ПНБ) плотностью ρ ≈ 2 г/см3 . Одновременно р, Т-воздействию подвергали компактные образцы (ρ ≈ 1,83 г/см3 ) из высококристаллического порошка карботермического BN (КТНБ). Установлено, что температура начала превращения ПНБ в плотную кубическую фазу (сфалеритный BNсф) составляет 1600°С, что на 300°С выше в сравнении с КТНБ. В процессе фазового превращения наблюдается упорядочение структуры ПНБ, которое носит гетерогенный характер. Ниже 1600°С ПНБ устойчив в структурном отношении и практически не изменяет плотность при термобарическом воздействии, что дает возможность использовать его как матричный материал для исследования процессов инфильтрации инактивных расплавов под действием высокого давления в диапазоне температур 300—1600°С. При тиску ∼ 7,7 ГПа в діяпазоні температур 1000—1900°С досліджено термічну стійкість квазикристалічної наноструктури піролітичного нітриду бору (ПНБ) густиною d ≈ 2 г/см3 . Одночасно під р, Т-дією знаходилися компактні зразки (d ≈ 1,83 г/см3 ) з висококристалічного порошку карботермічного BN (КТНБ). Встановлено температуру початку перетворення ПНБ у щільну кубічну фазу (сфалеритний BNсф), яка складає 1600°С, що на 300°С вище в порівнянні з КТНБ. У процесі фазового перетворення спостерігалося упорядкування структури ПНБ, яке мало гетерогенний характер. Нижче 1600°С ПНБ виявляє стійкість у структурному відношенні і практично не змінює густини при термобаричній дії, що дає можливість використовувати його як матричний матеріял для вивчення процесів інфільтрації інактивних розтопів під дією високого тиску в діяпазоні температур 300—1600°С. Thermal stability of quasi-crystalline nanostructure of pyrolytic boron nitride (pBN) with a density ρ ≈ 2 g/cm3 is studied under pressure of 7.7 GPa inthe temperature range from 1000 to 1900°C simultaneously with compact samples of highly-crystalline carbothermal BN powder (ρ ≈ 1.83 g/cm3 ). As revealed, the onset temperature of the pBN transformation into the dense cubic phase (cBN) is 1600°C that is higher than that of carbothermal BN by 300°C. During the phase transformation, heterogeneous ordering of the pBN structure is observed. Below 1600°C, pBN is structurally stable, and its density is practically unchanged at thermobaric action that makes it possible to use pBN as a matrix material in studying the processes of its infiltration by non-reactive melts under high pressure and a temperature between 300°C and 1600°C.
first_indexed 2025-11-25T20:53:16Z
format Article
fulltext 505 PACS numbers:07.35.+k, 61.48.De,61.50.Ks,62.50.-p,81.07.Bc,81.40.Vw, 81.70.Pg Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия М. В. Никишина, П. П. Иценко Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, ул. Автозаводская, 2, 04074 Киев, Украина При давлении ∼ 7,7 ГПа в диапазоне температур 1000—1900°С исследова- на термическая устойчивость квазикристаллической наноструктуры пи- ролитического нитрида бора (ПНБ) плотностью ρ ≈ 2 г/см 3. Одновременно р, Т-воздействию подвергали компактные образцы (ρ ≈ 1,83 г/см 3) из вы- сококристаллического порошка карботермического BN (КТНБ). Установ- лено, что температура начала превращения ПНБ в плотную кубическую фазу (сфалеритный BNсф) составляет 1600°С, что на 300°С выше в сравне- нии с КТНБ. В процессе фазового превращения наблюдается упорядоче- ние структуры ПНБ, которое носит гетерогенный характер. Ниже 1600°С ПНБ устойчив в структурном отношении и практически не изменяет плотность при термобарическом воздействии, что дает возможность ис- пользовать его как матричный материал для исследования процессов ин- фильтрации инактивных расплавов под действием высокого давления в диапазоне температур 300—1600°С. При тиску ∼ 7,7 ГПа в діяпазоні температур 1000—1900°С досліджено тер- мічну стійкість квазикристалічної наноструктури піролітичного нітриду бору (ПНБ) густиною d ≈ 2 г/см 3. Одночасно під р, Т-дією знаходилися компактні зразки (d ≈ 1,83 г/см 3) з висококристалічного порошку карбо- термічного BN (КТНБ). Встановлено температуру початку перетворення ПНБ у щільну кубічну фазу (сфалеритний BNсф), яка складає 1600°С, що на 300°С вище в порівнянні з КТНБ. У процесі фазового перетворення спостерігалося упорядкування структури ПНБ, яке мало гетерогенний характер. Нижче 1600°С ПНБ виявляє стійкість у структурному відно- шенні і практично не змінює густини при термобаричній дії, що дає мож- ливість використовувати його як матричний матеріял для вивчення про- цесів інфільтрації інактивних розтопів під дією високого тиску в діяпазо- ні температур 300—1600°С. Thermal stability of quasi-crystalline nanostructure of pyrolytic boron ni- tride (pBN) with a density ρ ≈ 2 g/cm3 is studied under pressure of 7.7 GPa in Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 2, сс. 505—516 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 506 М. В. НИКИШИНА, П. П. ИЦЕНКО the temperature range from 1000 to 1900°C simultaneously with compact samples of highly-crystalline carbothermal BN powder (ρ ≈ 1.83 g/cm3). As revealed, the onset temperature of the pBN transformation into the dense cubic phase (cBN) is 1600°C that is higher than that of carbothermal BN by 300°C. During the phase transformation, heterogeneous ordering of the pBN structure is observed. Below 1600°C, pBN is structurally stable, and its den- sity is practically unchanged at thermobaric action that makes it possible to use pBN as a matrix material in studying the processes of its infiltration by non-reactive melts under high pressure and a temperature between 300°C and 1600°C. Ключевые слова: нитрид бора, наноструктурное состояние, высокие давления и температуры, структурные и фазовые превращения. (Получено 12 ноября 2008 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Характер структурных изменений и фазовых превращений в мате- риалах различного генезиса на основе графитоподобных модифи- каций нитрида бора (gBN), протекающих в условиях высоких дав- лений и температур в области термодинамической стабильности кубического (сфалеритоподобного) нитрида бора (BNсф), чрезвы- чайно чувствителен к особенностям их реальной структуры (как в исходном дисперсном, так и массивном состоянии), а также к спе- цифике термобарического воздействия. Устойчивость аморфной структуры нитрида бора (аBN) изучали в [1]. Исходный порошок с размером частиц d = 1—10 мкм подвергали квазигидростатическому сжатию давлением р = 7—10 ГПа и темпера- турному воздействию длительностью τ = 10 мин. Начало превраще- ния аBN → BNсф фиксировалось при температуре 800°С. Фазовый пе- реход протекал на фоне «графитации» исходной структуры, т.е. обра- зования упорядоченной гексагональной графитоподобной структуры (BNг) в матрице аBN. В порошках турбостратного нитрида бора (tBN), состоящих из монолитных агрегатов с d = 5—20 мкм, образование BNсф при 7 ГПа наблюдается, начиная с 1200°С (τ = 60—80 с) [2], хотя упорядочение структуры tBN, проявляющееся в появлении нанораз- мерных (d ∼ 10—15 нм) кристаллитов BNг, фиксируется уже при 600°С. Об аналогичном поведении tBN (измельченный пиролитиче- ский продукт) сообщалось и в работах [3, 4]. С ростом величины дав- ления начальные температуры «графитации» и образования BNсф уменьшаются. Так, по данным [5], при р = 11 ГПа начало превраще- ния tBN → BNсф наблюдалось при рекордно низкой температуре Т = 400°С. Для кристаллических порошков ромбоэдрического графитопо- добного нитрида бора (BNр) со степенью трехмерной упорядоченно- УСТОЙЧИВОСТЬ НАНОСТРУКТУРЫ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО BN 507 сти структуры Р3 = 0,93, полученных кристаллизацией из флюид- ных систем (d = 0,5—20 мкм) [6], характерно альтернативное мета- стабильное поведение [7, 8]. При 7,7 ГПа (τ = 90 с) в диапазоне 600— 900°С наблюдается полный переход BNр → BNг с образованием мета- стабильной фазы в высококристаллическом состоянии (Р3 = 0,97). Выше 1000°С развивается превращение с большой скоростью в ста- бильный BNсф, причем начальные стадии процесса сопровождаются появлением метастабильной вюрцитоподобной модификации (BNв). Отметим, что в условиях квазигидростатического р, Т-воздействия наибольшую устойчивость против превращения в плотный BN про- являют кристаллические (относительно более крупнодисперсные) порошки BNг карботермического метода синтеза (КТНБ). При 7—9 ГПа начало перехода в BNг → BNсф в этих порошках наблюдается при температурах 1300—1500°С (τ = 1—3 мин), например [9]. Доминирующими факторами, определяющими поведение порош- ков, являются уровень их дисперсности и дефектности, наличие за- грязнений и адсорбированных поверхностью частиц газов (азот, ки- слород). Процессы деформации структуры в области межчастичных контактов в условиях сжимающего воздействия обуславливают осо- бые реологические свойства дисперсной системы, влияющие на ус- тойчивость структурного состояния. По сути, влияние примесей и деформации сводится эффекту механохимического активирования процессов структурных и фазовых превращений в порошках gBN, что существенно отличает их от поведения массивных, например, высокочистых пиролитических материалов нитрида бора. Получаемый методом химического газофазного осаждения нитрид бора (пиролитический BN, ПНБ) обладает развитой структурой раз- личных уровней организации и обычно представляет собой компо- зицию кристаллической и паракристаллической форм [10, 11]. Кри- сталлическая компонента представлена модификациями BNг и BNр. Паракристаллическая компонента включает пакеты атомных сеток, уложенных в последовательностях чередования базисных слоев ADAD, AAAA и с турбостратной укладкой. Квазикристаллический ПНБ, получаемый по ТУ 6-02-669-83, имеет мезографитную или смешанную (бимодальную) структуру на основе BNг и tBN, реже – полностью одномерно разупорядоченную турбостратную [10]. Раз- мер структурных элементов в указанных разновидностях ПНБ соот- ветствует нанодиапазону: общий интервал размеров кристаллитов в базисной плоскости составляет 5−80 нм и вдоль оси с – 5−50 нм; кристаллиты разделены турбостратными прослойками толщиной до 8 нм; значительный объем материала могут занимать участки амор- физованного нитрида бора [11]. В данной работе изучали устойчивость неупорядоченной структу- ры ПНБ в диапазоне температур 1000—1900°С при давлении 7,7 ГПа, сравнивания экспериментально его поведение с поведением порош- кового материала КТНБ, а также с закономерностями фазовых и 508 М. В. НИКИШИНА, П. П. ИЦЕНКО структурных превращений в массивных пиролитических материа- лах BN различного генезиса по литературным данным. 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИСХОДНЫЕ ОБРАЗЦЫ При выполнении термобарических экспериментов использовался аппарат высокого давления (АВД) тороидального типа с диаметром центрального углубления 30 мм [12], отградуированный по давле- нию и температуре по стандартным методикам. Специальная конст- рукция ячейки высокого давления позволяла размещать одновре- менно два образца в центральной части нагревателя симметрично относительно азимутальной плоскости симметрии теплового поля АВД [13], что обеспечивало идентичность температурных условий в верхнем (ПНБ) и нижнем (КТНБ) образцах. Образцы, имеющие форму дисков диаметром 15 мм и толщиной 2 мм, разделялись в ячейке между собой тонким (0,15 мм) слоем термографенита [14] – материала, химически инертного по отношению к BN. Максималь- ный перепад температуры в объеме образца для применяемого типа ячейки составлял 10—15°С. Разогрев образцов до необходимой тем- пературы из интервала 1000—1900°С после создания в ячейке давле- ния 7,7 ГПа осуществляли в течение 10 с. Длительность теплового воздействия при фиксированной температуре составляла 40 с, после чего в течение 10 с снижали температуру и затем давление. Фазовый состав и структуру образцов до и после термобарическо- го воздействия исследовали методами рентгеновской дифракции с помощью дифрактометра ДРОН-3м (излучение CuKα, шаговый ре- жим через 0,05° с экспозицией 5 с). При расчетах соотношений ин- тегральных интенсивностей линий плотных и графитоподобных фаз BN учитывали отражательную способность плоскостей. Опре- деление степени трехмерной упорядоченности структуры графито- подобных фаз в образцах (Р3 = 1 − γ, где γ – концентрация турбост- ратных дефектов упаковки) выполняли по методике А. В. Курдю- мова для гомогенно разупорядоченных структур [15], которая осно- вана на измерении ширины линии 112 и выделении из нее физиче- ского уширения β(γ) с помощью соотношения 2 110 112 112 ( ) ( ) b B B β γ = − , (1) где b110 – ширина линии 110. Величина γ определяется из выражения 2 2 114,6 tg ( ) 1 d l n c θ γβ γ ° = π − γ , (2) где d и с – межплоскостное расстояние и параметр решетки УСТОЙЧИВОСТЬ НАНОСТРУКТУРЫ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО BN 509 графитоподобной модификации соответственно; n – ее слойность; l – индекс в hkl; θ – брэгговский угол. Соотношение (2) сводится к рабочей формуле ( ) 3,94 1 γβ γ ° = − γ , (3) где β(γ) подставляется в градусах по шкале 2θ. Плотность материалов до и после термобарического воздействия оценивали по массе и объему образцов. По данным гранулометриче- ского анализа исходный полидисперсный продукт КТНБ состоял из частиц и агрегатов частиц, не разрушающихся в иммерсии при ульт- развуковой обработке, с размерами от 3,2 до 37 мкм. Медиана в рас- пределении по размерам соответствовала 11,1 мкм. Порошок КТНБ перед помещением в ячейку компактировали с помощью стальной пресс-формы под давлением 0,4 ГПа, что позволяло получать образ- цы с плотностью 1,83 г/см 3. Плотность пластин исходного ПНБ ле- жала в пределах от 1,96 до 2,0 г/см 3. Образцы в форме дисков выре- зались из пластин с помощью алмазного инструмента (рис. 1). Особенности рентгеновских дифракционных спектров исходных образцов указывали на высокую степень кристалличности структу- ры КТНБ (Р3 = 0,98) и квазикристалличность нанодисперсного ПНБ (рис. 2). Р3 образцов ПНБ с гомогенно разупорядоченной мезогра- фитной структурой составляла 0,26—0,28 (ρ = 1,96—1,99 г/см 3). В смешанной структуре бимодального ПНБ сосуществуют две компо- ненты с различными степенями трехмерной упорядоченности струк- туры. Неупорядоченная компонента близка к турбостратной, упоря- доченная – к кристаллической. В изучаемых образцах бимодально- го ПНБ (ρ = 2,0 г/см 3) преобладает неупорядоченная компонента (∼ 71 об.%), т.е. в структурном отношении материал более близок к мезографитному ПНБ, чем к КТНБ. Индексы t и г, используемые в обозначениях соответственно для полностью турбостратной (Р3 = 0) и Рис. 1. Исходные образцы пиролитического BN (диаметр 15 мм, толщи- на 2 мм), вырезанные из пластин массивного материала. 510 М. В. НИКИШИНА, П. П. ИЦЕНКО полностью упорядоченной кристаллической (Р3 = 1) структур на рис. 2 использованы, как и в [10], для пояснения гетерогенности состоя- ния структуры. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Результаты рентгеновских исследований образцов после термобари- ческого воздействия показывают, что квазикристаллический нано- структурный ПНБ (в массивном состоянии) по устойчивости струк- туры против структурных и фазовых превращений существенно пре- восходит кристаллические порошки КТНБ. Каких-либо различий в поведении описанных выше мезографитного и бимодального ПНБ не выявлено. Температура начала превращения BNг → BNсф в КТНБ со- ставляет примерно 1300°С, в то время как в мезографитном ПНБ по- явление BNсф фиксируется, только начиная с 1600—1700°С (рис. 3). Образование BNсф в ПНБ сопровождается «графитацией» разупо- рядоченной структуры, о чем свидетельствует появление на дифрак- тограмме образца острого пика, соответствующего нормальному межслоевому расстоянию слоистого BNг (d002 = 0,333 нм). Количест- венный анализ фазового состава образца после воздействия темпера- турой 1750°С соответствует 18 об.% содержания BNсф. При этом не- превратившаяся графитоподобная фаза, учитывая при расчетах ин- тегральную интенсивность линий, наполовину состоит из упорядо- ченного BNг и неупорядоченной компоненты с уширенным межслое- вым расстоянием, равным 0,341 нм. Образование плотной фазы BN в КТНБ связывается с появлением на дифрактограмме образца ассиметричной линии с максимумом а б Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы исходных материалов ПНБ (1, 2) и КТНБ (3) в диапазонах углов 2θ: а – 23—29 град; б – 40—60 град. УСТОЙЧИВОСТЬ НАНОСТРУКТУРЫ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО BN 511 между положениями линий 002 BNв и 111 BNсф (рис. 3). При этом ис- ходная высококристаллическая структура КТНБ заметно разупоря- дочивается в результате термобарического воздействия, что отража- ется в уменьшении Р3 от 0,98 до 0,77 и 0,73 соответственно после воз- действия температурами 1300°С и 1600°С. С увеличением температуры линия плотных фаз приближается к положению линии 111 BNсф и при этом становится симметричной. Эти обстоятельства указывают на то, что на начальных этапах пре- вращения принимает участие метастабильный BNв, образование которого возможно по механизму гофрировки базисных плоскостей BNг, чему способствует кристалличность КТНБ. Как известно [16], необходимым условием реализации превращения BNг → BNв мар- тенситным путем является высокая степень трехмерной упорядо- ченности исходной графитоподобной структуры. В подобных про- 5 5 а б Рис. 3. Рентгеновские дифрактограммы исходных образцов (1) и образ- цов после воздействия давлением 7,7 ГПа на КТНБ (а) и мезографитный ПНБ (б) при температурах: 1300°С (2), 1600°С (3), 1750°С (4), 1900°С (5). 512 М. В. НИКИШИНА, П. П. ИЦЕНКО цессах BNв наследует высокую концентрацию дефектов упаковки (ДУ) в BNг: политипные ДУ BNг превращаются в ДУ BNв с чередова- нием плотноупакованных слоев, характерным для сфалеритопо- добной структуры, что способствует последующему превращению BNв → BNсф послойной перестройкой [17]. Такая перестройка может происходить посредством генерирования деформационных ДУ (ти- па вычитания) и протекать бездиффузионно при сравнительно не- высоких температурах. Целесообразно провести сравнение поведения изотропного не- упорядоченного ПНБ с литературными данными по фазовым и структурным превращениям анизотропных (высокотекстуриро- ванных) разновидностей пиролитических материалов на основе BNг и BNр, структуры которых отличаются высокой степенью трехмер- ной упорядоченности, а плотности достигают предельных значений (ρ ∼ 2,27 г/см 3), что определяет их стекловидность и часто прозрач- ность. Поведение подобных материалов в значительной степени за- висит от специфики термобарического воздействия [18—22]. В условиях осевого сжатия в алмазных наковальнях (ось тексту- ры материала параллельна оси нагружения) высокоплотный ПНБ на основе BNр испытывает скачкообразный переход в плотную фазу BN при комнатной температуре и давлении 5,6 ГПа [18], что на по- рядок величины ниже порогового давления образования BNсф при гидростатическом сжатии [19]. При 8 ГПа в условиях квазигидро- статического сжатия превращение BNр → BNв в том же исходном материале ПНБ развивается с большой скоростью в интервале тем- ператур 200—400°C и практически полностью завершается при 1000°С (τ = 60 с) [20]. Аналогичное поведение характерно и для высокотекстурирован- ного материала на основе BNг, полученного после специальной тер- мобарической обработки ПНБ на основе BNр в области термодинами- ческой стабильности гексагональной графитоподобной модифика- ции [21, 22]. В данных работах условия квазигидростатического и гидростатического сжатия образцов при 7,7 ГПа создавались в АВД типа «белт». Длительность изотермической выдержки составляла 5 мин. При квазигидростатическом воздействии образование плотных фаз BN наблюдалось, начиная с ∼ 200°С, в то время как в условиях гидростатического сжатия для преобразования BNг в BNсф необходи- мы температуры выше 1500°С. Как и в случае с КТНБ, неустойчивость высокоупорядоченных структур ПНБ на основе BNг и BNр обусловлена кооперативной природой структурных и фазовых превращений, возможность про- текания которых связана с существенно более низкой энергией ак- тивации процессов в сравнении с реконструктивными диффузион- ными механизмами. К высокому уровню термической устойчивости мезографитного и бимодального материалов ПНБ приводит невозможность реализации УСТОЙЧИВОСТЬ НАНОСТРУКТУРЫ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО BN 513 кооперативных перестроек из-за низкой степени упорядоченности структуры, с другой стороны – отсутствие реконструктивных про- цессов вследствие низкой диффузионной активности высокотемпе- ратурного BN. Вероятность каталитических эффектов, связанных с наличием примесей и флюидных фаз, влияющих на скорость струк- турных и фазовых превращений, очевидно, также сведена к мини- муму в высокочистом пиролитическом материале. Кроме этого, ис- следованные материалы ПНБ изотропны, что делает их «невоспри- имчивыми» к неоднородности барического поля. Отметим также, что плотность образцов ПНБ после термобарического воздействия остается практически неизменной, оставаясь на уровне ∼ 2 г/см 3, вплоть до температуры 1600°С, при которой фиксируется появление BNсф (рис. 4). Плотность образцов из КТНБ монотонно возрастает в результате термобарического воздействия, достигая после обработки при 1000°С значения 1,97±0,03 г/см 3, характерного для исходного ПНБ. Дальнейшее более резкое возрастание плотности образцов, безусловно, в первую очередь связано с развитием фазовых превра- щений в плотные модификации BN. Анализ полученных экспериментальных данных, в сопоставлении с известными ранее результатами, позволяет предположить, что единственным фактором, способным оказывать влияние на устойчи- вость наноструктуры высокочистого неупорядоченного ПНБ, явля- ется плотность исходного пиролитического материала: высокоплот- ные материалы более устойчивы, чем низкоплотные. Причиной это- му является различная реология массивных материалов, отличаю- щихся по плотности. В условиях термобарического воздействия бо- лее активная деформация в структуре низкоплотных материалов способствует ускорению структурных и фазовых превращений. В Рис. 4. Зависимости плотности образцов от температуры термобариче- ского воздействия при 7,7 ГПа для КТНБ (1) и мезографитного ПНБ (2). 514 М. В. НИКИШИНА, П. П. ИЦЕНКО пользу этого предположения свидетельствуют также данные работы [23], в которой с использованием АВД типа «белт» исследовалось по- ведение двух видов ПНБ чистотой 99,99% с размерами кристаллитов 5−10 нм: анизотропного материала с предпочтительной ориентацией с-осей в структуре (ρ = 2,1 г/см 3) и полностью изотропного материала (ρ = 1,25 г/см 3). Оба материала классифицировались как турбострат- ный нитрид бора. По данным этой работы в условиях квазигидроста- тического сжатия (р = 6,5 ГПа) в низкоплотном ПНБ имело место частичное превращение BNсф при 1500°С, в то время как более плот- ный анизотропный ПНБ не испытывал никаких превращений вплоть до температур порядка 2300—2550°С. 4. ВЫВОДЫ В практических приложениях перспективность gBN, и особенно пиролитических материалов на его основе, связана с его безальтер- нативностью, что стало очевидным в период бурного развития элек- тронной промышленности: теплоотводы в мощных транзисторах; держатели источников и электроизоляторы в системах ионной им- плантации; источники бора в планарной технологии (получение кремниевых подложек с р-типом проводимости); тигли для выра- щивания высокочистых полупроводниковых кристаллов (ячейки роста и эпитаксиальные ячейки). В космической индустрии BN с его низкой диэлектрической постоянной оказался идеальным вы- бором при изготовлении микроволновых окон и деталей антенн, жаропрочных футеровок и др. Как широкозонный материал, нит- рид бора является весьма перспективным для применения в ульт- рафиолетовой оптике и фотоэлектронике. Пиролитические материалы gBN вакуумплотные и имеют незна- чительную проницаемость даже для газообразного гелия [24]. Не- обычное поведение меди наблюдалось нами в условиях термобариче- ского воздействия, которое заключалось в том, что под действием высокого давления (∼ 7,7 ГПа) происходит инфильтрация расплава металла в наноструктурный ПНБ плотностью ∼ 2 г/см 3, которая на 12,2% ниже плотности монокристаллического BNг. Материал в по- добных условиях ведет себя как проницаемая матрица, фрактальная структура которой обуславливает возможность перколяции жидких сред. Этот эффект может быть использован для введения в структуру ПНБ химических агентов, облегчающих его фазовое превращение в кубический BN, а также с целью получения композитов типа ди- электрик—металл и диэлектрик—полупроводник, обладающих спе- циальными свойствами. Широкий температурный диапазон устой- чивости наноструктуры исследованного ПНБ и неизменности его плотности при термобарическом воздействии свидетельствует о не- изменности фильтрационных свойств материала вплоть до 1600°С, УСТОЙЧИВОСТЬ НАНОСТРУКТУРЫ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО BN 515 что предопределяет выбор возможных инфильтрующих агентов. Авторы выражают признательность С. А. Шевченко (РНЦ «При- кладная химия», Санкт-Петербург) за предоставленные образцы ПНБ и д.т.н. И. А. Петруше (ИСМ НАН Украины) за помощь при постановке термобарических экспериментов и участие в обсужде- нии полученных результатов. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. H. Sumiya, T. Iseki, and A. Onodera, Mat. Res. Bull., 18: 1203 (1983). 2. Розробка фізико-технологічних основ виготовлення високоміцних полікри- сталічних матеріалів кубічного нітриду бору та термостійких алмазно- керамічних композитів в умовах високого тиску і однорідного поля темпе- ратур (Звіт про НДР за темою № III-24-05 (0123). № держреєстрації 0105U008270. Обл. № 0208U005420). (Київ: ІНМ НАН України: 2008). 3. И. С. Гладкая, Г. Н. Кремкова, В. Н. Слесарев, Изв. АН СССР. Неорган. ма- териалы, 17, № 9: 1603 (1981). 4. И. С. Гладкая, Г. Н. Кремкова, В. Н. Слесарев, Сверхтв. материалы, № 3: 38 (1988). 5. А. В. Курдюмов, И. С. Гладкая, А. С. Голубев и др., Изв. АН СССР. Неорган. материалы, 18, № 11: 1835 (1982). 6. В. Л. Соложенко, В. А. Муханов, Н. В. Новиков, Докл. АН СССР, 312, № 3: 630 (1990). 7. А. Патнис, Дж. Мак-Коннелл, Основные черты поведения минералов (Мо- сква: Мир: 1983). 8. V. L. Solozhenko, I. A. Petrusha, and A. A. Svirid, High Press. Res., 15: 95 (1996). 9. А. А. Будяк, И. А. Петруша, В. М. Товстоган и др., Сверхтв. материалы, № 4: 12 (1985). 10. Б. Н. Шарупин, А. Е. Кравчик, М. М. Ефременко и др., ЖПХ, 63, № 8: 1698 (1990). 11. В. С. Дедков, Структурная иерархия нитрида бора и ее связь со свойства- ми (Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.07 / НИИ высоких напря- жений при Томском политех. ун-те.) (Томск: 1996). 12. І. А. Петруша, О. С. Осіпов, Т. І. Смірнова та ін., Пріоритети наукової співпраці ДФФД і БРФФД: Матеріали спільних конкурсних проектів Дер- жавного фонду фундаментальних досліджень і Білоруського республікан- ського фонду фундаментальних досліджень («ДФФД—БРФФД−2005») (Ки- їв: ДІА: 2007), с. 218. 13. А. Г. Гаран, І. А. Петруша, А. С. Осіпов, Пристрій для створення високого тиску та температури (Патент 70815 Україна. МПК В 01 J 03/06/. Заявл. 30.12.03. Опубл. 15.10.04. Бюл. № 10). 14. В. В. Янченко, Ю. И. Семенцов, Термографенит (Киев: ООО «Украинские передовые технологии»: 2005), с. 12. 15. А. В. Курдюмов, Кристаллография, 20, № 5: 969 (1975). 16. А. В. Курдюмов, В. Ф. Бритун, Н. И. Боримчук, В. В. Ярош, Мартенсит- ные и диффузионные превращения в углероде и нитриде бора при ударном 516 М. В. НИКИШИНА, П. П. ИЦЕНКО сжатии (Киев: Изд-во «О.О. Куприянова»: 2005). 17. В. Ф. Бритун, А. В. Курдюмов, И. А. Петруша, Сверхтв. материалы, № 2: 3 (2000). 18. N. V. Novikov, I. A. Petrusha, L. K. Shvedov et al., Diamond Relat. Mater., 8: 361 (1999). 19. M. Ueno, K. Hasegawa, R. Oshima et al., Phys. Rev. B, 45, No. 18: 10226 (1992). 20. A. V. Kurdyumov, V. F. Britun, and I. A. Petrusha, Diamond and Relat. Ma- ter., 5: 1229 (1996). 21. В. Ф. Бритун, А. В. Курдюмов, Т. Танигучи и др., Сверхтв. материалы, № 2: 14 (2003). 22. В. Ф. Бритун, А. В. Курдюмов, И. А. Петруша, Физика и техника высоких давлений, 13, № 3: 11 (2003). 23. F. R. Corrigan and F. P. Bundy, J. Chem Phys., 63, No. 9: 3812 (1975). 24. T. С. Hsieh and A. C. Anderson, Rev. Sci. Instrum., 52, No. 12: 1919 (1981).
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76412
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1816-5230
language Russian
last_indexed 2025-11-25T20:53:16Z
publishDate 2009
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format dspace
spelling Никишина, М.В.
Иценко, П.П.
2015-02-10T12:14:51Z
2015-02-10T12:14:51Z
2009
Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия / М.В. Никишина, П.П. Иценко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 505-516 . — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
1816-5230
PACS numbers: 07.35.+k,61.48.De,61.50.Ks,62.50.-p,81.07.Bc,81.40.Vw,81.70.Pg
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76412
При давлении ∼ 7,7 ГПа в диапазоне температур 1000—1900°С исследована термическая устойчивость квазикристаллической наноструктуры пиролитического нитрида бора (ПНБ) плотностью ρ ≈ 2 г/см3 . Одновременно р, Т-воздействию подвергали компактные образцы (ρ ≈ 1,83 г/см3 ) из высококристаллического порошка карботермического BN (КТНБ). Установлено, что температура начала превращения ПНБ в плотную кубическую фазу (сфалеритный BNсф) составляет 1600°С, что на 300°С выше в сравнении с КТНБ. В процессе фазового превращения наблюдается упорядочение структуры ПНБ, которое носит гетерогенный характер. Ниже 1600°С ПНБ устойчив в структурном отношении и практически не изменяет плотность при термобарическом воздействии, что дает возможность использовать его как матричный материал для исследования процессов инфильтрации инактивных расплавов под действием высокого давления в диапазоне температур 300—1600°С.
При тиску ∼ 7,7 ГПа в діяпазоні температур 1000—1900°С досліджено термічну стійкість квазикристалічної наноструктури піролітичного нітриду бору (ПНБ) густиною d ≈ 2 г/см3 . Одночасно під р, Т-дією знаходилися компактні зразки (d ≈ 1,83 г/см3 ) з висококристалічного порошку карботермічного BN (КТНБ). Встановлено температуру початку перетворення ПНБ у щільну кубічну фазу (сфалеритний BNсф), яка складає 1600°С, що на 300°С вище в порівнянні з КТНБ. У процесі фазового перетворення спостерігалося упорядкування структури ПНБ, яке мало гетерогенний характер. Нижче 1600°С ПНБ виявляє стійкість у структурному відношенні і практично не змінює густини при термобаричній дії, що дає можливість використовувати його як матричний матеріял для вивчення процесів інфільтрації інактивних розтопів під дією високого тиску в діяпазоні температур 300—1600°С.
Thermal stability of quasi-crystalline nanostructure of pyrolytic boron nitride (pBN) with a density ρ ≈ 2 g/cm3 is studied under pressure of 7.7 GPa inthe temperature range from 1000 to 1900°C simultaneously with compact samples of highly-crystalline carbothermal BN powder (ρ ≈ 1.83 g/cm3 ). As revealed, the onset temperature of the pBN transformation into the dense cubic phase (cBN) is 1600°C that is higher than that of carbothermal BN by 300°C. During the phase transformation, heterogeneous ordering of the pBN structure is observed. Below 1600°C, pBN is structurally stable, and its density is practically unchanged at thermobaric action that makes it possible to use pBN as a matrix material in studying the processes of its infiltration by non-reactive melts under high pressure and a temperature between 300°C and 1600°C.
Авторы выражают признательность С. А. Шевченко (РНЦ «Прикладная химия», Санкт Петербург) за предоставленные образцы ПНБ и д.т.н. И. А. Петруше (ИСМ НАН Украины) за помощь при постановке термобарических экспериментов и участие в обсуждении полученных результатов.
ru
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия
Stability of Pyrolytic BN Structure under Thermobaric Action
Article
published earlier
spellingShingle Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия
Никишина, М.В.
Иценко, П.П.
title Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия
title_alt Stability of Pyrolytic BN Structure under Thermobaric Action
title_full Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия
title_fullStr Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия
title_full_unstemmed Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия
title_short Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в условиях термобарического воздействия
title_sort устойчивость наноструктуры пиролитического bn в условиях термобарического воздействия
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76412
work_keys_str_mv AT nikišinamv ustoičivostʹnanostrukturypirolitičeskogobnvusloviâhtermobaričeskogovozdeistviâ
AT icenkopp ustoičivostʹnanostrukturypirolitičeskogobnvusloviâhtermobaričeskogovozdeistviâ
AT nikišinamv stabilityofpyrolyticbnstructureunderthermobaricaction
AT icenkopp stabilityofpyrolyticbnstructureunderthermobaricaction