Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2020, T. 494, № 1, стр. 42-44

Уникальное сочетание механических и физико-химических свойств карбида кремния обуславливает широкое применение материалов на его основе в различных отраслях промышленности. Существует множество методов получения подобных материалов [1], каждый из которых обеспечивает определенные преимущества, но вместе с тем не лишен тех или иных недостатков. В связи с этим изучение возможности применения метода взрывного прессования для получения материалов на основе SiC [2, 3], является актуальной задачей как с научной, так и с практической точек зрения.

При проведении исследований в качестве металлической связки карбидокремниевого материала использовали титан, хорошо зарекомендовавший себя при получении взрывом порошковых твердых сплавов на основе карбида хрома Cr₃C₂ [2]. Взрывное прессование осуществлялось путем нагружения слоя исходной смеси порошков SiC и Ti на поверхности массивной стальной подложки плоской нормально падающей детонационной волной через стальную промежуточную прокладку, отделяющую продукты взрыва от порошка [2]. Изменение высоты заряда взрывчатого вещества обеспечивало варьирование температуры разогрева порошковой смеси в процессе ударно-волнового сжатия в пределах от 700 до 840°С и давления – в пределах от 11.5 до 16.5 ГПа. Длительность импульса максимального давления при этом составляла 0.3 мкс.

Исследования показали, что при взрывном прессовании смесей порошка карбида кремния с порошком титана, несмотря на существенный уровень температур разогрева при ударно-волновом сжатии, удается избежать возможного [4] химического взаимодействия между ними (рис. 1).

Рис. 1.

Фазовый состав (а) и распределение элементов между фазами в материале SiC–Ti, полученном взрывом (б).

При использовании режимов нагружения, обеспечивающих разогрев порошковых смесей до температуры, превышающей 780°С, формируется монолитная структура, в которой частицы титана (рис. 2а) сохраняют свои размеры и образуют обособленные включения в непрерывной матрице из карбида кремния (рис. 2б).

Рис. 2.

Вид частиц исходных порошков титана (а) и карбида кремния (в) и микроструктура материалов SiC–Ti, полученных взрывом (б, г).

Частицы SiC, имевшие первоначально осколочную форму (рис. 2в), оказываются существенно продеформированными, что обеспечивает формирование плотного контакта между ними (рис. 2г). Воздух, содержавшийся в исходной порошковой смеси, вытесняется ударной волной из объема прессовки и сохраняется лишь в виде отдельных микропор на границе между частицами SiC (рис. 2г).

Необычное (по сравнению с материалами системы Cr₃C₂–Ti, в которых непрерывную матрицу образует металлическая связка [2]) поведение компонентов порошковых смесей SiC с Ti при взрывном прессовании связано, по-видимому, с аномально высокой скоростью звука в карбиде кремния, и, соответственно, более высокой скоростью распространения волн сжатия по каркасу из частиц SiC, чем по частицам Ti.

В процессе консолидации материалов системы SiC–Ti при взрывном нагружении их плотность приближается к плотности монолита (рис. 3а), а твердость начинает существенно расти и достигает значений, превышающих 1300 HV (рис. 3б), лишь на режимах нагружения, обеспечивающих разогрев порошковых смесей до температур, превышающих 780°С, что соответствует 0.35 T_пл SiC и является нижней границей начала перехода керамических и полупроводниковых фаз, к числу которых может быть отнесен карбид кремния, в пластичное состояние. Данный факт указывает на ведущую роль деформации карбидных частиц как в процессе уплотнения исходных порошковых смесей, так и при формировании прочных границ раздела между их компонентами.

Рис. 3.

Влияние температуры разогрева порошка при взрывном прессовании на остаточную пористость (а) и твердость (б) порошковых  материалов  SiC–Ti  с  различным  содержанием  связки  (об.  %): $\vartriangle $ – 20, $\blacktriangle $ – 30, $\bigcirc $ – 40 и $ \bullet $ – 50; - - - - - – 0.35 T_пл SiC.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что использование взрывного нагружения порошков для получения материалов на основе карбида кремния является перспективным и позволяет осуществить процесс их консолидации на стадии прессования без последующего спекания.