CC BY
9Офицерова КВ., Савина В.И., Шабанов Ш.Ш., Сафарадиев Г.К. Исследование структуры карбидкремниевой керамики с добавками карбида ниобия
УДК 539.264
Исследование структуры карбидкремниевой керамики с добавками
карбида ниобия
И. В. Офицерова, В.И. Савина, Ш.Ш, Шабанову Г.К. Сафаралиев
Исследования твердых растворов на основе тугоплавких соединений переходных металлов связаны с практическими интересами получения новых материалов с более высокими физико-механическими свойствами в сравнении с материалами на основе индивидуальных соединений. Композиционные материалы с металлической матрицей и усиливающими элементами в виде порошка карбида кремния обладают повышенной прочностью, жесткостью, сопротивлением образованию трещин усталости и ползучести, повышенным сопротивлением износу. Материалы по данной проблеме практически отсутствуют и приведены авторами [1,2].
Керамику Я/С - ШС получали из порошка дисперсностью 5 мкм технической чистоты. Содержание ШС в керамике варьировалось от 10 до 90 %. Спекание производили в двух режимах (быстрый - повышение температуры через каждые 5 минут, медленный - через 20 мин.), при температурах 1900 и 2200 °С в среде Аг в течение 1 часа.
Структурное исследование керамики Я/С - ШС осуществлялось методом рентгеновской дифрактометрии, Серии образцов с различным содержанием Я/С и ШС, полученные при температуре 1900 и 2200 °С, анализировались по фазовому составу и значениям параметров элементарной ячейки Я/С. Чувствительность фазового анализа составляла 6 %, погрешность в определении параметров - ± 0,0005 А.
На рентгенограммах, снятых в интервале 28 = 16° - 42°, присутствует весь спектр линий, принадлежащих как Я/С, так и ШС. При анализе угловых положений этих линий их не удается идентифицировать как линии, принадлежащие какому-либо соединению типа NbCSi4C - (№Ь3814)С, М>Яь, Я/У\Ь5. Из рентгенограмм видно, что с изменением содержания ШС (от одного образца к другому) интенсивность линий, соответствующих Я/С, уменьшается, а интенсивность линий, соответствующих ШС, - возрастает (рис. 1). Из графика видно, что для керамики, спеченной при 1900 °С, интенсивность рефлексов, связанных с ШС, растет с увеличением содержания N1)0 в керамике, т. е. происходит просто замещение карбида кремния карбидом ниобия. Для керамики, спеченной при более высокой температуре (2200 °С), при содержании ШС свыше 50 % наблюдается образование твердого раствора, о чем свидетельствует спад на кривых. Не идентифицированные линии от образца к образцу не воспроизводятся. Поскольку никаких дополнительных линий, свидетельствующих об образовании новой фазы, не обнаружено, то из анализа рентгенограмм керамики Я/С ~ШС различного состава можно заключить, что в процессе спекания при температурах
Офицерова Н.В., Савина В.И., Шабанов Ш.Ш., Сафаралиев Г.К. Исследование структуры карбидкремниевой керамики с добавками карбида ниобия_
1900 и 2200 °С фазовые переходы не происходят, и новые соединения не образуются.
100 |
80 :
!
£ бо!
ас I н
Ь I
I
- >4. 2000РС 100 Ж 1900РС
Рис. 1. Изменение интенсивности рефлексов, соответствующих М>С, для керамики 5/С - М>С, спеченной при различных темпера1урах
Исследованы таюке структурные параметры а и с элементарной ячейки 5/С Полученные результаты приведены на рис. 2. Как видно из рисунка, для керамики 8гС - М>С, спеченной при 1900 °С, с увеличением содержания >1ЬС наблюдается уменьшение параметра с, причем в небольших пределах. Для образцов, полученных при 2200 С, с ростом содержания ИЬС в керамике параметр с растет, значение же параметра а в обоих случаях остается приблизительно одинаковым. Изменение параметра с предполагает частичное замещение ионов металла в 5/С и М>С-тетраэдрах.
Следует отметить, что исследование распределения профиля интенсивности позволяет выявить весьма разнообразные искажения кристаллической решетки. Причем в зависимости от типа нарушения в решетке дифракционные эффекты могут проявляться на отражениях разного типа и по-разному. В данном случае такое изменение интенсивности предположительно связано с одномерным разупорядочиванием в ¿>/С. Поскольку, как известно, структура обладает ярко выраженным политипизмом можно предположить, что происходит разупорядочивание плотно упакованных слоев 57С (без нарушения порядка внутри слоя).
С изменением процентного соотношения и МЬС для керамики, спеченной при температуре 1900 °С, происходит одномерное разупорядо-чение плотноупакованных слоев 5/С вдоль оси с (без нарушения порядка внутри слоя). Вероятно, с увеличением содержания №>С происходит сжатие элементарной ячейки по высоте, что приводит к уменьшению парамет-
40 |
20 \
0
0
20 40 60 80
ТЧЬС, МОЛ.%
Офицерова Н.В., Савина В.И., Шабанов Ш.Ш., Сафаралиев Г.К. Исследование структуры карбидкремниевой керамики с добавками карбида ниобия
ра с. Этим, вероятно, объясняется и изменение параметра с с ростом содержания МС, Это позволяет сделать вывод о том, что керамика, полученная при 1900 °С, представляет собой механическую смесь SiС и МЬС.
Что касается керамики, полученной при 2200 °С, то изменение параметра решетки с связано с образованием полупроводникового твердого раствора в системе 57С - ИЬС, а может быть, и с изменением кристаллической структуры.
NbC, мол.%
Рис. 2. Изменение с параметра элементарной решетки в твердых растворах SiC - NbC с изменением содержания NbC: 1 - керамика, спеченная при 1900 °С; 2 - керамика, спеченная при 2200 °С
В итоге проделанной работы сделаны следующие выводы. На основе рентгеноструктурных исследований керамики установлено, что керамика SiC - NbC, спеченная при Т = 1900 °С, представляет собой механическую смесь, а в керамике, спеченной при температуре 2200 °С, образуется полупроводниковый твердый раствор. Изменение параметра с в керамике SiC - NbC предполагает частичное замещение ионов металла в SiC и Nb-тетраэдрах.
Литература
1. Сафаралиев Г.К, Таиров Ю.М., Цветков В.Ф., Шабанов Ш.Ш. Исследование растворимости и диффузии в системах SiC - NbC, SiC - TiC, SiC -ZrC//Письма вЖГФ. 1991. T. 17, вып. 23.-С. 21 -23.
2. Ремпелъ C.B., Гусев А.И. Поверхностная сегрегация ZrC из карбидного твердого раствора // ФТТ. 2002. Т. 44, вып. 1. - С. 66 - 67.
