Дослідження механічних характеристик матеріалів на базі тугоплавких боридів

Автор(и)

  • Tetiana Prikhna Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074, Україна https://orcid.org/0000-0002-1621-0681
  • Anastasiia Lokatkina Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074, Україна https://orcid.org/0000-0001-6778-117X
  • Viktor Moshchil Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074, Україна https://orcid.org/0000-0003-2147-067X
  • Pavlo Barvitskyi Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074, Україна https://orcid.org/0000-0002-7594-8619
  • Oleksandr Borimsky Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074, Україна https://orcid.org/0000-0002-3104-4976
  • Semyon Ponomaryov Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної академії наук України, пр. Науки, 41, м. Київ, Україна, 03028, Україна https://orcid.org/0000-0003-4548-4275
  • Richard Haber Кампус Рутгерського університету в Нью-Брунсвікі, 607, Taylor Road Piscataway, Нью-Брунсвік, США, NJ 08854-8065, Україна https://orcid.org/0000-0002-0399-2530
  • Tatiana Talako Державна наукова установа «Інститут порошкової металургії», вул. Платонова, 41, м. Мінськ, Білорусь, 220005, Україна https://orcid.org/0000-0002-3156-105X

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2020.220320

Ключові слова:

диборид цирконію, диборид гафнію, гаряче пресування, ультрависокотемпературна кераміка, високий квазіізостатичний тиск.

Анотація

Об'єктом дослідження є вплив спікання під тиском (10 МПа–4,1 ГПа) на формування структури та властивості ZrB2, HfB2, а також композитів на їх основі. Встановлено, що консолідація під високим тиском приводить до поліпшення механічних характеристик. Зокрема, твердість і в'язкість руйнування матеріалів, спечених під тиском 4,1 ГПа, вищі ніж у матеріалів, отриманих в умовах гарячого пресування при 20–30 МПа та іскроплазменного спікання при 50 МПа.

Спечений HfB2 під високим тиском демонстрував твердість HV(9,8 Н)=21,3±0,8 ГПа, HV(49 Н)=19,3±1,3 ГПа та HV(98 Н)=19,2±0,5 ГПа та в'язкість руйнування K1C(49 Н)=7,2 MPa·м0,5 і K1C(98 Н)=5,7 MPa·м0,5. HfB2, спечений методом гарячого пресування при 1850 °C і 30 МПа, демонстрував твердість: HV(9,8 Н)=19,0 ГПа, HV(49 Н)=18,7 ГПа і HV(98 Н)=18,1 ГПа, K1C(9,8 Н)=7,7 MPa·м0,5, K1C(49 Н)=6,6 MPa·м0,5 і K1C(98 Н)=5,3 MPa·м0,5. Спечений ZrB2 під високим тиском (a=0,3167 нм, c=0,3528 нм, γ=6,2 г/см3) продемонстрував HV(9,8 Н)=17,7±0,6 ГПа, HV(49 Н)=15,4±1,2 ГПа та HV(98 Н)=15,3±0,36 ГПа і K1C(9,8 Н)=4,3 MPa·м0,5, K1C(49 Н)=4,2 MPa·м0,5 і K1C(98 Н)=4,0 MPa·м0,5. Додавання 20 мас. % SiC до ZrB2 та спікання під високим тиском (4,1 ГПа) дозволили суттєво збільшити твердість до HV(9,8 Н)=24,2±0,7 ГПа, HV(49 Н)=16,7±0,5 ГПа та HV(98 Н)=17,6±0,4 ГПа і в'язкість руйнування до K1C(49 Н)=7,1 MPa·м0,5, К1С(98 Н)=6,2 MPa·м0,5; щільність матеріалу становила γ=5,03 г/см3. Додавання SiC та Si3N4 до ZrB2 приводить до деякого збільшення в'язкості руйнування (до K1C(98 Н)=9,2 MPa·м0,5).

Розроблені матеріали та композити на основі ZrB2 та HfB2 можуть бути використані в аерокосмічній галузі, в різальній та вогнетривкій промисловості тощо.

Біографії авторів

Tetiana Prikhna, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074

Доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України, завідувач відділом

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Anastasiia Lokatkina, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074

Аспірант

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Viktor Moshchil, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074

Старший науковий співробітник

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Pavlo Barvitskyi, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074

Молодший науковий співробітник

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Oleksandr Borimsky, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля Національної академії наук України, вул. Автозаводська, 2, м. Київ, Україна, 04074

Провідний науковий співробітник

Відділ технологій високих тисків, функціональних керамічних композитів та дисперсних надтвердих матеріалів

Semyon Ponomaryov, Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної академії наук України, пр. Науки, 41, м. Київ, Україна, 03028

Молодший науковий співробітник

Відділ оптики і спектроскопії напівпровідникових і діелектричних матеріалів

Richard Haber, Кампус Рутгерського університету в Нью-Брунсвікі, 607, Taylor Road Piscataway, Нью-Брунсвік, США, NJ 08854-8065

Професор, співдиректор

Центр керамічних, композитних і оптичних матеріалів

Відділ матеріалознавства та інженерії

Tatiana Talako, Державна наукова установа «Інститут порошкової металургії», вул. Платонова, 41, м. Мінськ, Білорусь, 220005

Провідний науковий співробітник

Посилання

  1. Mishima, O., Era, K.; Kumashiro, Y. (Ed.) (2000). Electric Refractory Materials. New York: Marcel Dekker, Basel, 495–549.
  2. Prikhna, Т., Haber, R., Barvitskiy, P., Sverdun, V., Dub, S., Muratov, V. et. al. (2017). Synthesis, sintering, structure and properties of AlB12C2–based materials. Proceedings of the 41st International conference and exposition on advanced ceramics and composites. Daytona Beach. doi: http://doi.org/10.1002/9781119474678.ch19
  3. Prikhna, T. A., Barvitskyi, P. P., Maznaya, A. V., Muratov, V. B., Devin, L. N., Neshpor, A. V. et. al. (2019). Lightweight ceramics based on aluminum dodecaboride, boron carbide and self-bonded silicon carbide. Ceramics International, 45 (7), 9580–9588. doi: http://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.10.065
  4. Rudy, E. (1969). Ternary phase equilibria in transition metal--boron--carbon--silicon systems. Part v. Compendium of phase diagram data.
  5. Portnoi, K. I., Romashov, V. M., Salibekov, S. E. (1971). Constitution diagram of the system tantalum-boron. Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 10 (11), 925–927. doi: http://doi.org/10.1007/bf00794010
  6. Glaser, F. W., Post, B. (1953). System Zirconium-Boron. JOM, 5 (9), 1117–1118. doi: http://doi.org/10.1007/bf03397597
  7. Rogl, P., Potter, P. E. (1988). A critical review and thermodynamic calculation of the binary system: Zirconium-boron. Calphad, 12 (2), 191–204. doi: http://doi.org/10.1016/0364-5916(88)90021-1
  8. Wuchina, E., Opila, E., Opeka, M., Fahrenholtz, B., Talmy, I. (2007). UHTCs: Ultra-High Temperature Ceramic Materials for Extreme Environment Applications. The Electrochemical Society Interface, 16 (4), 30–36. doi: http://doi.org/10.1149/2.f04074if
  9. Musa, C., Licheri, R., Orrù, R., Marocco, R., Cao, G. (2019). Fabrication and Characterization of SiC fiber reinforced HfB2 Ceramics for Space Propulsion Components. Ceramics in Modern Technologies, 1 (1), 51–58. doi: http://doi.org/10.29272/cmt.2018.0010
  10. Rodriguez-Carvajal, J. (1990). FULLPROF: A Program for Rietveld Refinement and Pattern Matching Analysis. Abstract of the satellite meeting on powder diffraction of the XV congress. Int. Union of Crystallography. Talence.
  11. Zapata-Solvas, E., Jayaseelan, D. D., Lin, H. T., Brown, P., Lee, W. E. (2013). Mechanical properties of ZrB2- and HfB2-based ultra-high temperature ceramics fabricated by spark plasma sintering. Journal of the European Ceramic Society, 33 (7), 1373–1386. doi: http://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.12.009

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-12-30

Як цитувати

Prikhna, T., Lokatkina, A., Moshchil, V., Barvitskyi, P., Borimsky, O., Ponomaryov, S., Haber, R., & Talako, T. (2020). Дослідження механічних характеристик матеріалів на базі тугоплавких боридів. Technology Audit and Production Reserves, 6(1(56), 40–44. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2020.220320

Номер

Том 6 № 1(56) (2020): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Звіт про науково-дослідні роботи

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Tetiana Prikhna, Anastasiia Lokatkina, Viktor Moshchil, Pavlo Barvitskyi, Oleksandr Borimsky, Semyon Ponomaryov, Richard Haber, Tatiana Talako

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.