CC BY
68
УДК 666.3.015.4:666.366
Ким К.А., Лысенков А.С., Титов Д.Д., Лемешев Д.О., Фролова М.Г., Каргин Ю.Ф.
АРМИРОВАНИЕ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ
Ким Константин Александрович, студент 1 курса магистратуры группы МН-14 Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева, e-mail: const552@gmail.com.
Были получены керамические образцы на основе карбида кремния с добавлением карбидокремниевых волокон. Предполагалось, что добавление волокон в матрицу карбида кремния позволит получить композитный материал и повысит механические свойства материала. В качестве исходных материалов использовали карбид кремния с размером зерна 1 мкм, волокна карбида кремния. Используя метод горячего прессования удалось получить уплотненный композитный материал с высокими физико-механическими свойствами, что делает данный материал пригодным в использовании при высоких нагрузках и агрессивных средах. Ключевые слова: карбид кремния, армирование, композит, керамика, волокна, прочность.
REINFORCING OF CERAMICS BASED ON SILICON CARBIDE
Kim Konstantin Aleksandrovich, first year magistracy student MN-14 of Moscow University of chemical technology in Russia, e-mail: const552@gmail.com.
Ceramic samples based on silicon carbide with the addition of silicon carbide fibers were obtained. It was assumed that the addition of fibers to the matrix of silicon carbide would yield a composite material and enhance the mechanical properties of the material. Silicon carbide with a grain size of 1 /m, silicon carbide fibers was used as the starting materials. Using the method of hot pressing it was possible to obtain a densified composite material with high physical and mechanical properties, which makes this material suitable for use under high loads and aggressive environment. Keywords: silicon carbide, reinforcing, composite, ceramics, fibers, durability.
Карбид кремния БЮ является бинарным соединением углерода и кремния, который в природе встречается крайне редко и является синтезируемым материалом, который существует в двух модификациях. Высокотемпературной модификацией считается - а-БЮ, а низкотемпературной - Р-БЮ. Переход от низкотемпературной модификации к
высокотемпературной осуществляется при температуре 2100 °С. Карбид кремния является универсальным конструкционным материалом, так как обладает рядом высоких физико-химических свойств, такими как высокая твердость, прочность, износостойкость, низкая плотность, устойчивость в окислительных средах и при высоких температурах, а также полупроводимостью. Благодаря своим свойствам материалы на основе карбида кремния успешно эксплуатируются в химической, аэрокосмической, металлургической промышленности, в качестве абразивных и режущих материалов, в микроэлектронике.
Использование высокоэффективных
искусственных волокон, к которым относят волокна из карбида кремния Б^, является перспективным направлением в области разработок волоконной индустрии. Волокна карбида кремния, несмотря на малый диаметр 0,01 - 2 мкм, обладают высокой прочностью при упругих деформациях и растяжении и могут эксплуатироваться при температуре до 1600 °С [1]. Благодаря высокой поверхностной энергии обеспечивается совместимость с металлическими, полимерными и керамическими матрицами. Материалы, армированные волокнами БЮ, имеют превосходящие физико-механические свойства по сравнению с неармированными.
Получение карбидокремниевой керамики, независимо от метода, невозможно без высоких
температур, при которых развиваются процессы спекания, рекристаллизации, диссоциации и сублимации. Однако от выбранного метода получения зависят конечные свойства керамики, что будет определять пригодность применения. Для получения конструкционной керамики необходимо добиться плотной, беспористой структуры. Метод горячего прессования заключается в одновременном приложении давления в 30 - 70 МПа в графитовой форме при температуре 1800 - 1950 °С в вакууме либо в атмосфере аргона или азота. Приложение давления во время обжига позволяет максимально уплотнить материал, тем самым увеличить общую поверхность контакта между зернами за счет перемещения и равномерного распределения зерен Б1С [2]. Происходит уменьшение пористости, тем самым получаемый материал имеет однородную структуру и повышенные физико-механические характеристики, однако при горячем прессовании без спекающих добавок получаются высокопористые изделия, порядка 30 - 52 %. Даже небольшое количество добавок, создающих жидкую фазу при спекании, способно значительно ускорить и улучшить процесс.
Известно, что агрегация частиц может происходить не только на ранних стадиях спекания, но и во время прессования заготовок, что приводит к локальному росту зерен и неравности плотностей [3]. Метод горячего прессования исключает данный недостаток. По сравнению с обычным спеканием, получают высокоплотный, песпористый материал с мелкодисперсной структурой.
Для получения образцов конструкционной керамики использовали порошки карбида кремния а-Б1С со средним размером зерна 1 мкм, (рис.1, рис.2, рис.3), волокна БЮ, которые предварительно нарезали
отрезками длиной 3-5 мм. Для изучения влияния содержания волокон на механическую прочность были приготовлены смеси с различным содержанием волокна БЮ, таб. 1. В составе порошка БЮ так же присутствуют спекающие добавки: А1203 в количестве 5,5 мас.% и У203 в количестве 3,5 мас.%.
Таб.1. Содержание компонентов в смеси.
Содержание SiC, мас. Содержание волокон
% SiC, мас. %
100 0
99 1
97 3
95 5
93 7
90 10
Рис.1. Фотография микроструктуры кристаллов SiC.
Рис.2. Фотография микроструктуры кристаллов SiC.
Рис.3. Фотография микроструктуры кристаллов SiC.
Полученные смеси интенсивно смешивали в планетарной мельнице в присутствии изопропилового спирта, высушивали и гранулировали при помощи сита с размером ячейки 0,5 мм. Давление прессования заготовок составило 30 МПа, для того чтобы избежать возникновения дефектов и перепрессовочных трещин. Выбранный нами режим горячего прессования с давлением 30 МПа и температурой 1850 °C, позволил получить беспористый материал с однородной структурой.
Исследование материалов на плотность, микротвердость и прочность на изгиб позволяет выявить влияние количественного содержание армирущего компонента на данные свойства. Для начала испытаний полученные образцы в виде таблеток с диаметром 25 мм и высотой 5 мм предварительно шлифовали на вращающемся диске и распиливали на бруски с равной высотой и шириной.
Согласно испытаниям, образцы с наибольшим содержанием волокон SiC имеют наивысшую плотность - 3,19 г/см3, а, следовательно, высокую микротвердость по Виккерсу - 24 ГПа. Так же с увеличением содержания волокон SiC растет прочность на изгиб -500 - 550 МПа. К примеру, образец без содержания волокон имеет плотность - 3,12 г/см3, микротвердость 20 ГПа и прочность на изгиб - 350 - 380 МПа. Введение более 10 мас.% волокон SiC не целесообразно, поскольку по объему они во много раз превышают объем порошка SiC и предварительное прессование заготовок весьма затруднительно. Происходит хаотичность упаковки волокон при формовании, что препятствует образованию плотной упаковки, кроме того длина волокон также влияет на физико-механические свойства и не должна превышать 10 мм
[4].
Анализируя полученные результаты, можно сказать о высокой прочности полученных образцов керамики. Увеличение содержания волокон карбида кремния способствует повышению механической прочности, плотности и микротвердости, однако избыточное содержание волокон в составе нежелательно, так как нарушается гомогенизация волокон в матрице SiC и целостность структуры.
Автор выражает благодарность к.т.н., с.н.с. ИМЕТРАН, Лысенкову Антону Сергеевичу.
Список литературы
1. Тель Р. Применение нитевидных кристаллов для упрочнения огнеупоров //Огнеупоры и техническая керамика. - 2012. - №. 11-12. - С. 53-58.
2. Перевислов С. Н., Несмелов Д. Д. Жидкофазноспеченый карбид кремния: спекание, структура, механические свойства //Огнеупоры и техническая керамика. - 2014. - №. 4-5. - С. 3-13.
3. Беляков А. В. Особенности внедрения наноматериалов и нанотехнологий на керамических предприятиях //Стекло и керамика. - 2010. - №. 7. -С. 7-12.
4. Park J. S. et al. Fabrication of short SiC fiber reinforced SiC matrix composites with high fiber volume fraction //Fusion Engineering and Design. - 2016. - Т. 109. - С. 1174-1178.
