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...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , |
| 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 |