1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 58, № 9, 2022

Неорганические материалы, 2022, T. 58, № 9, стр. 945-955

Синтез композиционных порошков B4C/ZrB2 методом карбидоборного восстановления для изготовления керамики

Т. С. Гудыма 1, *, Ю. Л. Крутский 1, Е. А. Максимовский 2, А. В. Ухина 3, А. И. Апарнев 1, А. И. Смирнов 1, Н. Ф. Уваров 3

1 Новосибирский государственный технический университет
630073 Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Россия

2 Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО Российской академии наук
630090 Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 3, Россия

3 Институт химии твердого тела и механохимии СО Российской академии наук
630090 Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18, Россия

* E-mail: gudymatan@mail.ru

Поступила в редакцию 08.03.2022
После доработки 23.06.2022
Принята к публикации 30.06.2022

Аннотация

Исследован процесс получения композиционного порошкового материала B4C/ZrB2 методом карбидоборного восстановления оксида циркония в присутствии углеродного восстановителя – нановолокнистого углерода. Синтез материала проводили в диапазоне температур 1200–1900°С в течение 20 мин. Оптимальная температура синтеза независимо от состава шихты составила 1650°С. Изучены характеристики композиционных порошков, содержащих 10–30 мол. % ZrB2. Средний размер 50% частиц композиционного порошка данного состава не превышает 9.5 мкм. Полученные порошки представляют собой агрегированные частицы фаз B4C и ZrB2 размером до 10 и 40 мкм соответственно. Визуальный анализ микрофотографий порошков показал, что смеси, содержащие 20–30 мол. % ZrB2, демонстрируют равномерное распределение модифицирующей добавки в объеме частиц B4C, при этом содержание средних и крупных включений не превышает 15 об. %. Значение удельной поверхности образцов находится в диапазоне 1.3–2.1 м2/г. Частицы диборида циркония равномерно распределены в матрице карбида бора. Увеличение содержания ZrB2 в композиционном порошковом материале с 10 до 30 мол. % приводит к повышению его термической стойкости в окислительной среде. Полученный композиционный материал перспективен для изготовления керамики.

Ключевые слова: карбид бора, диборид циркония, модифицирующая добавка, карбидоборное восстановление, керамика

Список литературы

  1. Yuan Y., Ye T., Wu Y., Xu Y. Mechanical and Ballistic Properties of Graphene Platelets Reinforced B4C Ceramics: Effect of TiB2 Addition // Mater. Sci. Eng. A. 2021. V. 45. № 17 P.141294. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.095

  2. Wu C., Li Y.K., Wan C.L. Reactive-Sintering B4C Matrix Composite for Armor Applications // Rare Met. 2020. V. 39. P. 529–544. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.095 10.1007/s12598-020-01404-6

  3. Zhang X., Zhang Z., Sun Y., Xiang M., Wang G., Bai Y., Mu J., Che H., Wang W. Preparation, Microstructure and Toughening Mechanism of Superhard Ultrafine-Grained Boron Carbide Ceramics with Outstanding Fracture Toughness // J. Alloys Compd. 2018. V. 762. P. 125–132. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.05.228

  4. Shon I.J. High-Frequency Induction Sintering of B4C Ceramics and Its Mechanical Properties // Ceram. Int. 2016. V. 42. № 16 P. 19406–19412. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.08.132

  5. Liu Y., Ge S., Huang Y., Huang Z., Zhang D. Influence of Sintering Process Conditions on Microstructural and Mechanical Properties of Boron Carbide Ceramics Synthesized by Spark Plasma Sintering // Materials (Basel). 2021. V. 14. P. 1–14. https://doi.org/10.3390/ma14051100

  6. Swab J.J., Pittari J.J., Gamble W.R. Uniaxial Tensile Strength and Fracture Analysis of a Hot-Pressed Boron Carbide // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. V. 39. № 6. P. 1965–1973. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.01.031

  7. Parlakyigit A.S., Ergun C. In situ Synthesis of B4C–SiC, B4C–TiB2, and B4C–ZrB2 Composites from Organic–Inorganic Hybrid Precursor via a Simple Bottom-Up Approach // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2019. V. 92. P. 745–759. https://doi.org/10.1007/s10971-019-05143-8

  8. Щербаков В.А., Грядунов А.Н., Алымов М.И. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез композитов ZrB2–B4C с дисперсной фазой в виде пустотелых оболочек // Докл. Академии наук. 2019. Т. 485. № 2. С. 190–193. https://doi.org/10.31857/S0869-56524852190-193

  9. Крутский Ю.Л., Гудыма Т.С., Дюкова К.Д., Кузьмин Р.И., Крутская Т. М. Дибориды некоторых переходных металлов: свойства, области применения и методы получения. Часть 2. Дибориды хрома и циркония // Изв. вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 6. С. 395–412. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-6-395-412

  10. Neuman E.W., Thompson M., Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E. Thermal Properties of ZrB2-TiB2 Solid Solutions // J. Eur. Ceram. Soc. 2021 V. 41. № 15. P. 7434–7441. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.08.004

  11. Zhang S.C., Hilmas G.E., Fahrenholtz W.G. Pressureless Densification of Zirconium Diboride with Boron Carbide Additions // J. Am. Ceram. Soc. 2006. V. 89. № 2. P. 1544–1550. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.00949.x

  12. He R., Jing L., Qu Z., Zhou Z., Ai S., Kai W. Effects of ZrB2 Contents on the Mechanical Properties and Thermal Shock Resistance of B4C-ZrB2 Ceramics // Mater. Des. 2015. V. 71. P. 56–61. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.01.002

  13. Radev D., Zahariev Z. Oxidation Stability of B4C–MexBy, Composite Materials // J. Alloys Compd. 1993. V. 197. P. 87–90. https://doi.org/10.1002/CHIN.199335028

  14. Wenbo H., Jiaxing G., Jihong Z., Jiliang Y. Microstructure and Properties of B4C-ZrB2 Ceramic Composites // Int. J. Eng. Innov. Technol. 2013. V. 3. P. 163–166.

  15. Cheng Y.H., Han W.B., Liu D.Z., An J.D., Wang P., Zhao G.D. Spark Plasma Sintering of B4C–ZrB2 and B4C–ZrB2–SiC Ceramics // Mater. Res. Innov. 2015. V. 19. P. 1343–1346. https://doi.org/10.1179/1432891715Z.0000000001501

  16. Le T.D., Hirota K., Kato M., Miyamoto H., Yuasa M., Nishimura T. Fabrication of Dense ZrB2/B4C Composites Using Pulsed Electric Current Pressure Sintering and Evaluation of Their High-Temperature Bending Strength // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 11. P. 18478–18486. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.04.153

  17. Щербаков В.А., Грядунов А.Н., Алымов М.И. Синтез и характеристики композитов B4C–ZrB2// Письма о материалах. 2017. Т. 7. № 4. С. 398–401. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2017-4-398-401

  18. Huang S.G., Vanmeensel K., Vleugels J. Powder Synthesis and Densification of Ultrafine B4C-ZrB2 Composite by Pulsed Electrical Current Sintering // J. Eur. Ceram. Soc. 2014. V. 34. № 4. P. 1923–1933. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.01.022

  19. Gudyma T.S., Krutskii Yu.L., Uvarov N.F., Aparnev A.I. Optimization of the Obtaining Temperature of Powder Composite Material B4C–ZrB2 by the Boron Carbide Method // Matec Web Conf. 2021. V. 340. P. 5. https://doi.org/10.1051/matecconf/202134001028

  20. Крутский Ю.Л., Баннов А.Г., Соколов В.В., Дюкова К.Д., Шинкарев В.В., Ухина А.В., Максимовский Е.А., Пичугин А.Ю., Соловьев Е.А., Крутская Т.М., Кувшинов Г.Г. Синтез высокодисперсного карбида бора из нановолокнистого углерода // Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8. № 3–4. С. 43–48. https://doi.org/10.1134/S1995078013020109

  21. Курмашов П.Б., Максименко В.В., Баннов А.Г., Кувшинов Г.Г. Горизонтальный пилотный реактор с виброожиженным слоем для процесса синтеза нановолокнистого углерода // Хим. технология. 2013. № 10. С. 635–640.

  22. Попов М.В. Повышение эффективности процесса получения метано-водородной смеси каталитическим разложением легких углеводородов: Автореф. дис. … канд. тех наук: 05.17.08. Новосибирск. 2019. с. 20.

  23. Ordan’yan S.S. Rules for the Reactions in B4C–MeIV–VIB2 Systems // Refractories. 1993. V. 34. P. 268–271. https://doi.org/10.1007/bf01293229

  24. Взаимодействие окислов металлов с углеродом / Под ред. Елютина В.П. и др. М.: Металлургия, 1976. 360 с.

  25. Шестаков В.А., Гудыма Т.С., Крутский Ю.Л., Уваров Н.Ф., Брестер А.Е., Сковородин И.Н. Оценка температурного диапазона процессов синтеза порошковых композиционных материалов B4C–TIB2 и B4C–ZRB2 // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 5. С. 506–511. https://doi.org/10.31857/S0002337X21050080

  26. Shestakov V.A., Gudyma T.S., Krutskii Y.L., Uvarov N.F. Determination of the Optimal Temperature Range for Synthesis of B4C-TiB2 and B4C–ZrB2 Powder Composite Materials // Mater. Today Proc. 2020 V. 31. P. 506–508. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.822

  27. Крутский Ю.Л., Непочатов Ю.К., Пель А.Н., Сковородин И.Н., Дюкова К.Д., Крутская Т.М., Кучумова И.Д., Матц О.Э., Тюрин А.Г., Эмурлаева Ю.Ю., Подрябинкин С.И. Синтез полидисперсного карбида бора и получение керамики на его основе // Журн. прикл. химии. 2019. Т. 92. № 6. С. 719–727. https://doi.org/10.1134/S0044461819060045

  28. Крутский Ю.Л., Максимовский Е.А., Попов М.В., Нецкина О.В., Крутская Т.М., Черкасова Н.Ю., Квашина Т.С., Дробяз Е.А. Синтез высокодисперсного диборида циркония для изготовления керамики специального назначения // Журн. прикл. химии. 2017. Т. 90. № 10. С. 1295–1302.

  29. Blott S.J., Pye K. Technical Communication Gradistat : a Grain Size Distribution and Statistics Package for the Analysis of Unconsolidated Sediments // Earth Surf. Process. Landforms. 2001 V. 1248. P. 1237–1248. https://doi.org/10.1002/esp.261

  30. Физико-химические свойства окислов: Cправ. изд. / Под общ. ред. Самсонова Г.В. М.: Металлургия, 1978. 472 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал