Физика и химия стекла. T. 49, Номер 6, 2023

  1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика и химия стекла
  4. T. 49, № 6, 2023

Физика и химия стекла, 2023, T. 49, № 6, стр. 573-579

Определение механических характеристик керамики “Идеал” (композита алмаз–карбид кремния)

В. Я. Шевченко 1, А. С. Орыщенко 2, А. Н. Беляков 2, *, С. Н. Перевислов 1, 2

1 Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
199034 Санкт-Петербург, наб. Макарова, д. 2, Россия

2 НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”
191015 Санкт-Петербург, Шпалерная ул., 49, Россия

* E-mail: anton_belyakov_n@mail.ru

Поступила в редакцию 29.06.2023
После доработки 01.08.2023
Принята к публикации 07.08.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе исследован новый композиционный керамический материал алмаз–карбид кремния – “Идеал”. Определены его механические характеристики. Впервые проведено комплексное определение коэффициента Пуассона, модуля сдвига, модуля объемного сжатия и поперечная скорость звука. Коэффициент Пуассона близок от 0.008 до 0.01, что в свою очередь свидетельствует о абсолютно хрупком характере разрушения керамики “Идеал” при нагружении. Рассчитаны критерии, позволяющие оценивать разные материалы, используемые для бронезащиты.

Ключевые слова: коэффициент Пуассона, “Идеал”, композит алмаз–карбид кремния, механические свойства, упругие свойства, динамические свойства

ВВЕДЕНИЕ

Композиционные материалы на основе алмазных частиц представляют большой интерес для различных применений, благодаря сочетанию таких свойств, как высокая твердость, высокая теплопроводность, повышенная износостойкость и др. [1, 2].

Синтез новой керамики осуществляется при пропитке жидким кремнием [3] пористых заготовок из алмазных частиц. В соответствии с реакционно-диффузионным механизмом Тьюринга образуется композиционный материал алмаз–карбид кремния [4], в результате на поверхности алмазных частиц формируются кристаллы в виде трижды периодических поверхностей минимальной энергии (ТППМЭ), образуя “забор” Тьюринга [5–7]. Плотные слои SiC заполняют все пространства между алмазами и формируют монолитный композиционный материал алмаз–карбид кремния.

Полученная новая керамика “Идеал” характеризуется весьма высокими прочностными свойствами (выше только у монокристаллического алмаза), однако некоторые механические и упругие характеристики керамики “Идеал”, определяющие его динамические прочностные свойства, еще не изучены.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходных компонентов использовали алмазные порошки с размером частиц 20–28 мкм (Ds) и 225–250 мкм (Db). Из порошков 30 об. % Ds + 70 об. % Db (состав 1), 35 об. % Ds + 65 об. % Db (состав 2) и 40 об. % Ds + 60 об. % Db (состав 3) получали керамику в соответствии с технологией [8].

Плотность (ρ) образцов определяли методом гидростатического взвешивания. Предел прочности при трехточечном изгибе (σизг) определяли на разрывной машине Shimadzu AG-300kNX. Модуль упругости (модуль Юнга) (Е) и продольную скорость звука в материале (Сl) определяли резонансным методом на установке ЗВУК-130, а поперечную (Сt) на экспериментальной установке, разработанной в СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. Твердость по Виккерсу (HV) и трещиностойкости (К1С) методом индентирования на твердомере ТП-7р-1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Физико-механические свойства керамики “Идеал”. При создании определенных условий (концентрация компонентов, температура пропитки, давление среды и т.д.) реакционно-диффузионного взаимодействия на исходных частицах алмаза формируются зерна SiC – “забор” Тьюринга. Микроструктура материала алмаз–карбид кремния состоит из трижды периодических поверхностей, формируя монолитный материал, обладающий высокими механическими характеристиками (табл. 1).

Таблица 1.  

Физико-механические свойства керамики “Идеал” по сравнению с керамикой на основе SiC и В4С

Материал ρ, кг/м3 Е, ГПа Сl, м/с σизг, МПа К1С, МПа м1/2 HV, ГПа
“Идеал”, состав 1 3367 754 14 967 405 4.5 62
“Идеал”, состав 2 3367 760 15 034 425 4.7 64
“Идеал”, состав 3 3368 768 15 108 420 4.8 68
Реакционно-спеченный SiC [9] 3050–3100 380–410 10 200 380–400 3.5–4.0 20–21
Реакционно-спеченный В4С [10] 2600–2650 380–420 11 800 350–380 3.2–3.5 28–30

Изучение упругих характеристик керамики “Идеал”. Коэффициент Пуассона определяется отношением относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению материала. Когда к объекту прикладывается внешняя сила, его длина увеличивается, а площадь поперечного сечения уменьшается. Коэффициент Пуассона показывает, насколько больше поперечная деформация изделия по сравнению с продольной деформацией при растяжении или сжатии. Зная это отношение и модуль Юнга, можно точно определить все упругие свойства любого изотропного материала. Для абсолютно хрупкого материала коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно несжимаемого вещества он равен 0.5 [11]. Существуют материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона, такие материалы называются ауксетичными, впервые они были описаны К. Эвансом [12].

Впервые были комплексно измерены и рассчитаны такие величины, как поперечная скорость звука Ct керамики “Идеал” (приведены в табл. 2) и коэффициент Пуассона. Построена зависимость коэффициента Пуассона (по формуле (1)) от отношения волновых скоростей в керамике “Идеал” (рис. 1).

(1)
$\upsilon = \frac{{1 - 2{{{\left( {\frac{{{{{\text{C}}}_{t}}}}{{{{{\text{C}}}_{l}}}}} \right)}}^{2}}}}{{2 - 2{{{\left( {\frac{{{{{\text{C}}}_{t}}}}{{{{{\text{C}}}_{l}}}}} \right)}}^{2}}}},$
(2)
$G = E{\text{/}}2\left( {1 + \upsilon } \right),$
(3)
$E = \frac{{{\text{C}}_{l}^{2}\rho \left[ {\left( {1 + \upsilon } \right)\left( {1 - 2\upsilon } \right)} \right]}}{{\left( {1 - \upsilon } \right)}},$
(4)
$L = E{\text{/}}3\left( {1 - 2\upsilon } \right),$
(5)
$G = C_{t}^{2}\rho ,$
где G – модуль сдвига, L – модуль объемного сжатия и Ct – поперечная скорость звука.

Таблица 2.  

Физические свойства и скорости распределения волн в керамике “Идеал”

№ образца Плотность ρ, кг/м3 Скорость звука, м/с Отношение скоростей
продольная (Сl) поперечная (Ct) Cl/Ct Ct/Cl
1 3367 14 967 10 533 1.421 0.704
2 3367 15 034 10 572 1.422 0.703
3 3368 15 108 10 639 1.420 0.704
Рис. 1.

Зависимость коэффициента Пуассона от отношения волновых скоростей.

В однородных изотропных твердых телах существуют два типа объемных волн с различной поляризацией колебаний относительно направления распространения скоростей продольной (Сl) и поперечной волны (Ct). Скорость распространения продольных волн всегда выше скорости распространения поперечных волн. Кроме того, для нормальных изотропных твердых тел как правило Cl = √2Ct. В табл. 2 представлены скорости продольной и поперечной волн для керамики “Идеал”.

Все упругие константы в твердом теле определяются, в основном, скоростями продольных и поперечных звуковых волн, и являются взаимосвязанными. В табл. 3 представлены расчетные данные упругих свойств керамики “Идеал”. Коэффициент Пуассона близок к 0, что в твердом теле считается признаком хрупкого разрушения, т.е. без пластической составляющей закона Гука. Исходя из значений коэффициента Пуассона можно заключить, что керамика “Идеал” ведет себя практически как абсолютно хрупкий материал. Полученный коэффициент Пуассона значительно меньше, чем у кристаллического алмаза υ = 0.07.

Таблица 3.  

Упругие свойства керамики “Идеал”

№ образца υ E, ГПа K, ГПа G, ГПа
1 0.0094 754 256 373
2 0.0108 760 259 376
3 0.0081 768 260 381

Исходя из полученных данных можно оценить и другие свойства этой керамики. Обычно, при некоторых допущениях скорость Рэлеевской волны составляет [13]:

(6)
${{{\text{C}}}_{R}} = 0.9194{{{\text{C}}}_{t}}.$

Максимальная скорость трещины отождествляется со скоростью распространения Рэлеевских волн [14]. Известно, что при приложении импульсной нагрузки рост трещин резко ускоряется, по оценкам [15]:

(7)
$r = \sqrt {\rho {\text{C}}_{t}^{{3/2}}} ,$
где r – радиус разрушения идеально хрупкого бесконечного тела, вызванного ассиметричным импульсом.

Разрушение является хрупким, если для его протекания и завершения достаточно упругой энергии разрушаемого тела.

Пластическое поведение керамики является только следствием хрупкого измельчения, и определяется разрывом связей между частицами [16].

Особо интересно рассмотреть упругие характеристики в рамках объяснения динамических характеристик материала. Рассмотрим процесс взаимодействия ударника и преграды последовательно.

При динамическом воздействии ударника на конструкцию, на первой стадии (0–9 мкс) трещины образуются вблизи границы раздела керамика–подложка из-за сдвиговых напряжений подложки и начинают расширяться по направлению движения ударника. На второй стадии (9–15 мкс) ударник разрушается, а керамика измельчается из-за множества трещин. После 15 мкс разрушение ударника и керамики прекращается, и остальная энергия поглощается подложкой [17].

Для большинства керамик упругая волна, возникающая вследствие высокоскоростного удара, состоит из поверхностных волн (Рэлеевская волна), сдвиговых волн и волн сжатия [18].

При средних скоростях динамического нагружения (Vуд$ \ll $ Cl) энергия рассеивается на торможение и разрушение ударника и материала преграды (керамика разрушается с образованием так называемого “конуса” Герца – радиальных и круговых трещин, образуя зону Мескала и измельчая керамику в ней) [19]. В этих зонах пластичность (или квазипластичность) керамики играет важную роль.

При больших скоростях нагружения (Vуд ≥ Cl) преобладают в основном эффекты, связанные с рассеиванием ударных волн в керамике и ее разрушением.

Квазипластичность можно охарактеризовать как возникновение упругой деформации перед катастрофическим разрушением материала [16].

Ударные волны сжатия в конце концов отражаются от задней поверхности как волны растяжения. Интерференция волн сжатия и растяжения усиливает волны сдвига в соответствующих местах преграды и приводит к разрушению (дроблению) материала.

В табл. 4 показана количественная оценка распределения энергии удара по комбинированной (керамика с подложкой) бронепреграде [20]. Все указанные в табл. 4 стадии рассеивания энергии ударной волны зависят от упругих характеристик керамики и ударника.

Таблица 4.  

Распределение энергии ударной волны в комбинированной бронепреграде [21]

Энергия нагружения Волны сжатия, % Разрушение ударника, % Волны сдвига Воздействие на подложку, %
герцинское разрушение керамики, % измельчение керамики в зоне Мескала, %
Малая 10 40 25 5 20
Большая 10 30 35 20 5

В упругом режиме давление, возникающее в волне сжатия, линейно пропорционально плотности и скорости ударной волны, так называемый “упругий импеданс”.

При высокоскоростном ударе зависимость сжатия материала от давления определяется упругим пределом Гюгонио (HEL), при котором материал начинает переходить в необратимый сдвиг. В керамике предел Гюгонио гораздо выше, чем в металлах. В общем случае этот предел может быть выражен как ΔHEL = (1 – υ)σсж /(1–2 υ), где σсж – прочность при одноосном сжатии, υ – коэффициент Пуассона.

Факторами, определяющими способность рассеивать энергию в керамике, являются ее упругий импеданс и HEL. Эти величины связаны простыми отношениями упругих свойств материала [22].

Изучение упругих характеристик материала позволяет оценить его качество и возможность поглощать (рассеивать) энергию динамического нагружения, а также построить ряд материалов для выбора их в качестве преграды. Обычно используют несколько критериев из которых самыми распространенными являются критерий Шевченко (1984 г.) (коэффициент относительного проникновения ударника “K”) и критерий Ashby (1993 г.) (критерий “М”), которые позволяет оценивать материалы, используемые для различных защитных функций:

(8)
$K = \frac{{{{l}_{{{\text{пр}}}}}}}{{{{l}_{{{\text{стали}}}}}}} = {{\left( {\ln 2} \right)}^{{\frac{2}{3}}}}~~\sqrt[3]{{\frac{{{{\rho }_{{{\text{стали}}}}}{\text{С}}_{{l\left( {{\text{стали}}} \right)}}^{2}}}{{{{\rho }_{{{\text{кер}}}}}{\text{С}}_{{l\left( {{\text{кер}}} \right)}}^{2}}}}},$
(9)
$М = \frac{{{{E}^{{\frac{1}{2}}}}}}{\rho } = \frac{{{{C}_{l}}}}{{{{\rho }^{{\frac{1}{2}}}}}}.$

В табл. 5 приведены расчетные данные коэффициента относительного проникновения ударника “K” (критерия Шевченко [16, 23]) и критерия Ashby “М”, который позволяет оценивать материалы, используемые для бронезащиты [21], а также скорости Рэлеевских волн для керамики “Идеал” и других наиболее распространенных в качестве защиты материалов.

Таблица 5.  

Критерии, позволяющие оценить материалы, используемые в качестве защиты

Образец К М CR, м/с
1 0.65 257.94 9683
2 0.65 259.09 9720
3 0.66 260.33 9781
Для сравнения
Al2O3 0.83 160.03 6371
SiC 0.84 184.99 6696
B4C 0.79 247.44 8451
Сталь 1.0 58.54 3363
Алмаз 0.59 286.94 11 052

Анализ кривых коэффициента относительного проникновения ударника “K” и критерия “М” (рис. 2) показывает, что определяющими факторами оценки сопротивления различных материалов, в том числе и керамики, динамическому нагружению являются скорость звука и модуль упругости материала, что позволяет объяснить и изучить распространение ударных волн в керамике. Керамика “Идеал” характеризуется лучшими свойствами из существующих броневых материалов. Кроме того, используя эти фундаментальные характеристики, можно оценить множество других материалов с различной степенью устойчивости к динамическим нагрузкам.

Рис. 2.

Зависимость коэффициента относительного проникновения стального ударника в керамику “K” (сплошная линия) и критерий Ashby “М” (пунктирная линия) от модуля упругости для разных материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые комплексно изучены механические свойства керамики “Идеал”. Определены коэффициент Пуассона, модуль сдвига, модуль объемного сжатия и поперечная скорость звука. Показано, что коэффициент Пуассона близок к 0, что свидетельствует о хрупком разрушении керамики “Идеал” при нагружении. Полученный коэффициент Пуассона значительно меньше, чем у кристаллического алмаза, что характеризует керамику “Идеал” как идеально хрупкий материал. Оценки показывают, что керамика “Идеал” является наилучшим защитным материалом.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда “Новые физические и химические принципы технологии металлических, металлокерамических и керамических материалов с управляемой макро-, микро- и наноструктурой и уникальными служебными характеристиками” (№ 21-73-30019).

Список литературы

  1. Knippenberg W.F. Growth phenomena in silicon carbide // Philips Res. Report. 1963. V. 18. P. 161–274.

  2. Riedel R. Handbook of ceramic hard materials. Wiley-VCH. 2000. 1020 p.

  3. Ковальчук М.В., Орыщенко А.С., Шевченко В.Я., Перевислов С.Н. Композиционный материал. Патент № 2731703 C1 от 08.09.2020. Заявка № 2019136844 от 15.11.2019.

  4. Turing A. The chemical basis of morphogenesis // Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B. 1952. V. 237. № 641. P. 37–72.

  5. Shevchenko V.Y., Kovalchuk M.V., Oryshchenko A.S. New chemical technologies based on Turing reaction–diffusion processes // Doklady Chemistry. Pleiades Publishing. 2021. V. 496. № 2. P. 28–31.

  6. Shevchenko V.Y., Perevislov S.N., Ugolkov V.L. Physicochemical interaction processes in the carbon (diamond)–silicon system // Glass Physics and Chemistry. 2021. V. 47. № 3. P. 197–208.

  7. Shevchenko V.Y., Perevislov S.N. Reaction–diffusion mechanism of synthesis in the diamond–silicon carbide system // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021. V. 66. № 8. P. 1107–1114.

  8. Ковальчук М.В., Орыщенко А.С., Шевченко В.Я., Петров С.Н. Способ получения композиционного материала. Патент № 2732258 C1 от 14.09.2020. Заявка № 2019143480 от 19.12.2019.

  9. Perevislov S.N., Tomkovich M.V., Markov M.A., Kravchenko I.N., Kuznetsov Y.A., Erofeev M.N. The influence of dispersed composition of SiC on the physico-mechanical properties of reactive-sintered silicon carbide // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2020. V. 49. P. 511–517.

  10. Perevislov S.N., Lysenkov A.S., Titov D.D., Omkovich M.V., Nesmelov D.D., Markov M.A. Materials based on boron carbide obtained by reaction sintering // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2019. V. 525. № 1. P. 012074.

  11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. Гостехиздат. 1953. 737 с.

  12. Evans K.E. Auxetic polymers: a new range of materials. Endeavour. New series. 1991. V. 15. № 4. P. 170–174.

  13. Raileigh W.S. On waves propagation along the plate surface of an elastic solid // Proc. London Math. Soc. 1887. V. 17. P. 4–11.

  14. Финкель В.М. Физика разрушения. Рост трещин в твердых телах. Изд-во Металлургия: М. 1970. 376 с.

  15. Черепанов Г.П. О влиянии импульсов на развитие начальных трещин // Журнал ПМТФ. 1963. № 1. С. 97–103.

  16. Шевченко В.Я. Введение в техническую керамику. М.: Наука. 1993. 114 с.

  17. Woodward R. A simple one-dimension approach to modeling ceramic composite armor defeat // Int. J. Impact. Engng. 1990. V. 9. № 4. P. 455.

  18. Crouch J.G. Introduction to armor materials. The Science of Armor Materials. 2017. Elsevier. Part I. P. 33.

  19. Hazell P.J. Armor, Materials, Theory, Design, CRC Press. 2016. 231 p.

  20. Шевченко В.Я., Изотов А.Д., Лазарев В.Б., Жаворонков Н.М. Энергия диссоциации и предельная упругая деформация в модели двухчастичного взаимодействия // Неорганические материалы. 1984. Т. 20. № 6. С. 1047–1052.

  21. Ashby M.F., Cebon D. Materials selection in mechanical design // Le Journal de Physique IV. 1993. V. 3. № C7. P. 1–9.

  22. McCauley J. An introduction to Materials by Design Including a Dynamic Stress Environment. Engineering ceramics: Current Status and Future Prospects, First edition. Ed. By T. Ohji and M. Singh, Published 2016 by J. Willey and Sons, Inc.

  23. Шевченко В.Я., Орыщенко А.С., Перевислов С.Н., Сильников М.В. О критериях выбора материалов преград механическому динамическому нагружению // Физика и химия стекла. 2021. V. 47. № 4. P. 365–375.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Физика и химия стекла

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал