Inorganic MaterialsInorganic MaterialsНеорганические материалы0002-337X3034-5588The Russian Academy of Sciences68165410.31857/S0002337X24080111LMVLUUArticlesСтатьиResearch ArticleИзготовление керамики В4С/ZrB2 методом карбидоборного восстановленияИзготовление керамики В4С/ZrB2 методом карбидоборного восстановленияГудымаТ. С.
Russian Federation
gudymatan@mail.ruХабировР. Р.
Russian Federation
gudymatan@mail.ruКрутскийЮ. Л.
Russian Federation
gudymatan@mail.ruЧеркасоваН. Ю.
Russian Federation
gudymatan@mail.ruАнисимовА. Г.
Russian Federation
gudymatan@mail.ruCеменовА. О.
Russian Federation
gudymatan@mail.ruНовосибирский государственный технический университетИнститут гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО Российской академии наук080820246081016102530052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0002-337X/article/view/681654

В работе рассмотрен карбидоборный синтез композиционной керамики В4С/ZrB2. Керамика была получена прессованием порошковых смесей В4С+ZrB2, а также методом реакционного прессования. Содержание фазы ZrB2 составляло 10–30 мол.%. Выявлено, что увеличение содержания ZrB2 снижает открытую пористость и увеличивает относительную плотность композиционной керамики. Визуальный анализ показал, что одновременное проведение карбидоборного синтеза и горячего прессования позволяет получить материал В4С/10 мол.%ZrB2 с равномерно распределенными зернами ZrB2 в объеме фазы B4C. Микротвердость и вязкость разрушения такого материала составляли 38.3 ГПа и 3.9 МПа м0.5 соответственно. Относительная плотность составляла 99.9%. В случае горячего прессования предварительно синтезированной порошковой смеси подобные результаты достигались при более высоком содержании модифицирующей добавки, соответствующем 30 мол.% диборида. Показано, что композиционная керамика, содержащая 30 мол.% ZrB2, обладает более высоким сечением поглощения тепловых нейтронов по сравнению с немодифицированной керамикой.

В работе рассмотрен карбидоборный синтез композиционной керамики В4С/ZrB2. Керамика была получена прессованием порошковых смесей В4С+ZrB2, а также методом реакционного прессования. Содержание фазы ZrB2 составляло 10–30 мол.%. Выявлено, что увеличение содержания ZrB2 снижает открытую пористость и увеличивает относительную плотность композиционной керамики. Визуальный анализ показал, что одновременное проведение карбидоборного синтеза и горячего прессования позволяет получить материал В4С/10 мол.%ZrB2 с равномерно распределенными зернами ZrB2 в объеме фазы B4C. Микротвердость и вязкость разрушения такого материала составляли 38.3 ГПа и 3.9 МПа м0.5 соответственно. Относительная плотность составляла 99.9%. В случае горячего прессования предварительно синтезированной порошковой смеси подобные результаты достигались при более высоком содержании модифицирующей добавки, соответствующем 30 мол.% диборида. Показано, что композиционная керамика, содержащая 30 мол.% ZrB2, обладает более высоким сечением поглощения тепловых нейтронов по сравнению с немодифицированной керамикой.

диборид циркониянановолокнистый углеродкарбид боракомпозиционная керамикаМинистерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science and Higher Education of the Russian FederationRubink W.S., Ageh V., Lide H., Ley N.A., Young M.L., Casem D.T., Faierson E.J., Scharf T.W. Spark Plasma Sintering of B4C and B4C–TiB2 Composites: Deformation and Failure Mechanisms under Quasistatic and Dynamic Loading // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. P. 3321–3332. https://doi.org/10.1016/J.JEURCERAMSOC. 2021.01.044Shon I.J. High-Frequency Induction Sintering of B4C Ceramics and Its Mechanical Properties // Ceram. Int. 2016. V. 42. P. 19406–19412. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.08.132White R.M., Dickey E.C. Mechanical Properties and Deformation Mechanisms of B4C–TiB2 Eutectic Composites // J. Eur. Ceram. Soc. 2014. V. 34. P. 2043–2050. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.08.012Дик Д.В., Гудыма Т.С., Филиппов А.А., Фомин В.М., Крутский Ю.Л. Реакционное горячее прессование керамики B4C–CrB2 и ее механические свойства // Прикладная механика и техническая физика. 2024. Т. 65. № 2. С. 81–89. https://doi.org/10.15372/PMTF202315362Krutskii Y.L., Gudyma T.S., Dyukova K.D., Kuz’min R.I., Krutskaya T.M. Properties, Applications, and Production of Diborides of Some Transition Metals: Review. Part 2. Chromium and Zirconium Diborides // Steel Transl. 2021. V. 651. P. 359–373. https://doi.org/10.3103/S096709122106005XSimonenko E.P., Sevast’yanov D.V., Simonenko N.P., Sevast’yanov V.G., Kuznetsov N.T. Promising Ultra-High-Temperature Ceramic Materials for Aerospace Applications // Russ. J. Inorg. Chem. 2013. V. 58. P. 1669–1693. https://doi.org/10.1134/S0036023613140039Neuman E.W., Thompson M., Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E. Thermal Properties of ZrB2–TiB2 Solid Solutions // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. V. 7434–7441. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.08.004He 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.2015.01.002Kovziridze Z., Mestvirishvili Z., Tabatadze G., Nizharadze N.S., Mshvildadze M., Nikoleishvili E. Improvement of Boron Carbide Mechanical Properties in B4C–TiB2 and B4C–ZrB2 Systems // J. Electron. Cool. Therm. Control. 2013. V. 3. P. 43–48. https://doi.org/10.4236/JECTC.2013.32006Yanmaz L., Sahin F.C. Investigation of the Density and Microstructure Homogeneity of Square-Shaped B4C–ZrB2 Composites Produced by Spark Plasma Sintering Method // J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. P. 1295–1302. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.11.026Kumar A., Maharana S., Bichler L., Laha T., Roy S. Study of the Influence of ZrB2 Content and Thermal Shock on the Elastic Modulus of Spark Plasma Sintered ZrB2–B4C Composites Using a Non-Destructive Ultrasonic Technique // J. Eur. Ceram. Soc. 2024. V. 44. P. 679–692.Skorokhod V.V. Processing, Microstructure, and Mechanical Properties of B4C–TiB2 Particulate Sintered Composites. Part I. Pressureless Sintering and Microstructure Evolution // Powder Metall. Met. Ceram. 2000. V. 39. P. 414–423. https://doi.org/10.1023/A:1026625909365Yamada S., Hirao K., Yamauchi Y., Kanzaki S. High Strength B4C–TiB2 Composites Fabricated by Reaction Hot-Pressing // J. Eur. Ceram. Soc. 2003. V. 23. P. 1123–1130. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(02)00274-1Skorokhod V. Jr., Krstic V.D. High Strength-High Toughness B4C–TiB2 Composites // J. Mater. Sci. Lett. 2000. V. 19. P. 237–239. https://doi.org/10.1023/A:1006766910536Гудыма Т.С., Крутский Ю.Л., Максимовский Е.А., Черкасова Н.Ю., Лапекин Н.И., Ларина Т.В. Синтез композиционных порошковых смесей B4C–TiB2 методом карбидоборного восстановления с использованием нановолокнистого углерода для изготовления керамики // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2023. Т. 17. № 2. С. 35–45. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2023-2-35-45Shestakov 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.2020.05.822Huang 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. P. 1923–33. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.01.022Крутский 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. 43–48.19. Курмашов П.Б., Максименко В.В., Баннов А.Г., Кувшинов Г.Г. Горизонтальный пилотный реактор с виброожиженным слоем для процесса синтеза нановолокнистого углерода // Химическая технология. 2013. № 10. С. 635–640.Попов М.В. Повышение эффективности процесса получения метано-водородной смеси каталитическим разложением легких углеводородов: автореф. дис. ... канд. техн. наук Новосибирск: Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, 2019. 20 с.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/Гудыма Т.С., Крутский Ю.Л., Максимовский Е.А., Ухина А.В., Апарнев А.И., Смирнов А.И., Уваров Н.Ф. Синтез композиционных порошков B4C/ZrB2 методом карбидоборного восстановления для изготовления керамики // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 9. С. 945–955. https://doi.org/ 10.31857/S0002337X22090056ГОСТ 2909-2014. Огнеупоры. Метод определения кажущейся плотности, открытой и общей пористости, водопоглощения. М.: ИПК Издательство стандартов, 2014. 7 с.ГОСТ 2999-75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. М.: ИПК Издательство стандартов, 1987. 29 с.Хасанов О.Л., Струц В.К., Соколов В.М., Полисадова В.В., Двилис Э.С., Бикбаев З.Г. Методы измерения микротвердости и трещиностойкости наноструктурных керамик. Томск: ТПУ, 2011. 101 с.Косолапова Т.Я. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справ.изд. М.: Металлургия, 1986. 928 с.Самсонов Г.В., Борисова А.Л., Жидкова Т.Г., Знатокова Т.Н., Калошина Ю.П., Киселева А.Ф., Кислый П.С., Ковальченко М.С., Косолапова Т.Я., Малахов Я.С., Малахов В.Я., Панасюк А.Д., Славута В.И., Ткаченко Н.И. Физико-химические свойства окислов: справ. изд. М.: Металлургия, 1978. 472 с.Резепов В.К., Денисов В.П., Кирилюк Н.А., Драгунов Ю.Г., Рыжов С.Б. Реакторы ВВЭР- 1000 для атомных электростанций. М.: НПО “Гидропресс”, 2004. 333 с.