Керамические материалы на основе карбида кремния, модифицированные добавками эвтектических составов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.792.2:623.093

С.В. Житнюк*1, А.А. Евтеев1, Г.В. Полатов2, Н.А. Макаров1

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: [email protected]

Марийский государственный университет, Йошкар-Ола, Россия 424000, Йошкар-Ола, пл. Ленина, д. 1

КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ДОБАВКАМИ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ СОСТАВОВ

Разработан эффективный метод получения керамики на основе карбида кремния с повышенными механическими характеристиками, посредством введения добавок эвтектических составов. Спекание карбида кремния осуществлялось за счет введения в качестве спекающих добавок оксидов алюминия, кальция, магния и иттрия. Исследовано влияние нанодисперсного порошка карбида кремния на механические свойства керамики; установлено оптимальное количество модифицирующих добавок.

Ключевые слова: карбид кремния; конструкционная керамика; уплотнение; эвтектические добавки

Одним из широко используемых в технике бескислородных материалов является карбид кремния. Керамика на его основе обладает превосходной механической прочностью при высоких температурах, износостойкостью, низким коэффициентом термического расширения, значительным сопротивлением окислению при температурах до 1500 °С, химической инертностью, коррозионной стойкостью, устойчивостью к радиационным воздействиям, высокой твердостью [1 - 3].

Но, к сожалению, синтез керамики на основе карбида кремния требует температур 2150 - 2200 X. Предпринята попытка создать энергоэффективные технологии подобной керамики посредством введения в состав материалов добавок эвтектических составов, которые после жидкофазного уплотнения образуют в результате необратимой химической реакции между собой, с основной фазой и газовой средой новую высокоогнеупорную твердую фазу. В результате, жидкая фаза исчезает, а высокотемпературные свойства керамики в дальнейшем при эксплуатации не ухудшаются.

Особенностью метода получения новых керамических материалов на основе SiC является использование нанопорошков оксидных эвтектических составов, подготовленных химическими методами, которые подвергают механоактивации совместно с бескислородными соединениями для получения однородной высокоактивной к спеканию смеси порошков.

Совместное использование оксидных эвтектических добавок и нанодисперсного порошка карбида дает возможность создать керамические материалы с улучшенными физико-техническими характеристиками в условиях интенсивных внешних воздействий различной природы. Ультрадисперсные

закристаллизованные фазы эвтектики

обеспечивают снижение температуры спекания, тогда как нанодисперсный порошок карбида кремния позволяет получить максимально плотную упаковку частиц при формовании образцов, что придает спекшемуся материалу наибольшую прочность, твердость и трещиностойкость. В качестве таких добавок выступили системы CaO - AhOз - Y2Oз и MgO - AhOз - Y2Oз. В качестве исходной композиции использовали составы, содержащие 80, 85 мас. % SiC (50 % 3-4 мкм и 50 % 45-55 нм) и 15, 20 мас. % CaO - AЪOз - Y2Oз или MgO - AЪOз

- Y2Oз.

Основным сырьем служил карбид кремния со средним размером зерен 3-4 мкм. В роли ультрадисперсного порошка применяли нанопорошок карбида кремния со средним размером частиц 45-55 нм.

Свойства образцов, синтезированных в среде аргона при температуре 1900 приведены в табл. 1.

Увеличение содержания добавок СаО - AhOз

- Y2Oз и М§О - AЪOз - Y2Oз с 15 мас. % до 20 мас. % приводит к росту плотности образцов с 2,56 до 2,58 г/см3 и с 2,60 до 2,70 г/см3, соответственно. Введение добавки в системе М§О - AhOз - Y2Oз при прочих равных условиях позволяет получить более плотный и менее пористый материал.

При одном и том же количестве вводимого модификатора механическая прочность керамики, полученной с использованием магнийсодержащей добавки, в среднем на

15 МПа выше, а открытая пористость в среднем на 5 % ниже, нежели чем при использовании кальцийсодержащей добавки. Тем не менее, синтезированная керамика обладает значительной пористостью и невысокой механической прочностью. Результаты

исследований показывают, что, по всей вероятности, активность исходного карбида кремния недостаточна для синтеза материала с высокими механическими свойствами. Поэтому было решено модифицировать структуру введением высокоактивного ультрадисперсного порошка карбида кремния, синтезированного плазмохимическим способом (н^Ю). Порошок н-SiC вводили в систему в количестве 30 и 50 мас. % по отношению к количеству содержащегося карбида кремния так, чтобы общее содержание SiC в шихте оставалось неизменным. Результаты отображены в

табл. 2 и 3.

Таблица 1

Свойства образцов исследуемых составов

Составы образцов Исследуемые параметры

р, г/см3 П, % Оизг, МПа

SiC + 15 мас. % CaO - Л12С3 - У2О3 2,56 38,0 70 ± 18

SiC + 20 мас. % СаО - ЛЮз - У20з 2,58 34,0 82 ± 20

SiC + 15 мас. % МвО - Л12О3 - У20з 2,60 34,0 100 ± 20

SiC + 20 мас. % МвО - ЛЬОз - У20з 2,70 28,0 120 ± 25

Таблица 2

Свойства образцов исследуемых составов при _введении 30 % н-БЮ

Составы образцов Исследуемые параметры

р, г/см3 П, % Оизг, МПа

SiC + 15 мас. % СаО - Л12О3 - У2О3 3,00 9,5 220 ± 25

SiC + 20 мас. % СаО - Л12О3 - У2О3 3,02 8,0 200 ± 18

SiC + 15 мас. % МвО - Л12О3 - У2О3 3,04 7,5 350 ± 16

SiC + 20 мас. % МвО - Л12О3 - У2О3 3,05 5,0 310 ± 20

Введение нанодисперсного карбида кремния позволяет значительно увеличить керамические и прочностные свойства по сравнению с этими же величинами в материалах, таковой компонент не содержащих.

По-видимому, это связано с тем, что введение ультрадиспесных добавок изменяет процесс структурообразования при компактировании и активирует процесс спекания, что позволяет увеличить прочностные свойства керамики.

Значения плотности и пористости в системах, содержащих различные эвтектические добавки, имеют сходство, но в величинах прочности наблюдается разрыв, увеличивающийся, при прочих равных условиях, с ростом содержания ультрадисперсного компонента. Таким образом, можно судить о превосходстве одной из добавок над другой. Из результатов исследования следует, что увеличение содержания добавок СаО - AhOз -Y2Oз и М§О - AЪOз - Y2Oз с 15 до 20 мас. % приводит к небольшому изменению плотности и пористости, но заметному снижению предела

прочности при изгибе. Параметры, полученные для системы, содержащей

50 мас. % н-БгС, приближаются к значениям, предъявляемым к броневым материалам -открытая пористость, близкая к нулю и предел прочности при трехточечном изгибе, равный 450 ± 25 МПа.

Таблица 3

Свойства образцов исследуемых составов при _введении 50 % н-БЮ

Составы образцов Исследуемые параметры

р, г/см3 П, % Оизг, МПа

SiC + 15 мас. % СаО - Л12О3 - У2О3 3,10 1,2 380 ± 20

SiC + 20 мас. % СаО - Л12О3 - У2О3 3,12 1,3 355 ± 15

SiC + 15 мас. % МвО - Л12О3 - У2О3 3,12 0,4 450 ± 25

SiC + 20 мас. % МвО - Л12О3 - У2О3 3,15 0,3 400 ± 28

Таким образом, оптимальным составом, среди исследованных, следует признать керамику, содержащую 15 мас. % эвтектической добавки в системе MgO - AЪOз - Y2Oз и 50 мас. % ультрадисперсного SiC.

Для этого состава были оценены свойства, существенно важные для конструирования бронезащиты (табл. 4).

Керамика, содержащая эвтектическую добавку БЮ + 15 мас. % М§О - AЪOз - Y2Oз обладает максимальными физико-механическими

свойствами.

Именно эта керамика и выбрана как предпочтительная для изготовления

бронематериала. Микроструктура керамики указанного состава приведена на рисунке.

Рисунок. Фотография микроструктуры материала, содержащего 15 мас. % добавки М§0 - ЛЬОэ - УгОэ : а - 10000х; б - 15000х

Таблица 4

Свойства образцов для бронематериала, содержащего 50 % н-SiC

Составы образцов Исследуемые параметры

Вязкость разрушения Kic, МПа-м1/2 Модуль упругости Еупр, ГПа Твердость по Виккерсу HV, ГПа

SiC +

15 мас. % 3,8 345 21,4

CaO - АЪОз - Y2O3

SiC +

20 мас. % 3,7 340 21,6

CaO - АЪО3 - Y2O37

SiC +

15 мас. % 4,0 380 22,4

MgO - A2O3 - Y2O3

SiC +

20 мас. % 4,2 360 21,8

MgO - A2O3 - Y2O3

Житнюк Сергей Викторович аспирант кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Евтеев Антон Александрович к.т.н., старший преподаватель кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Полатов Геннадий Валерьевич студент 5-го курса физико-математического факультета кафедры общей и прикладной физики, Марийский государственный университет

Макаров Николай Александрович д.т.н., профессор кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Abraham T. // Am. Cer. Soc. Bull. 2004. V. 83. N. 8. P. 23.

2. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композиционные материалы. Механика и технология. Пер. с англ. М.: Техносфера, 2004. 408 с.

3. Балкевич В.Л. Техническая керамика. М.: Стройиздат, 1984. 256 с.

Zhitnyuk Sergey Viktorovich, Evteev Anton Alexandrovich, Polatov Gennady Valer'evich, Makarov Nikolay Alexandrovich

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Mari State University, Yoshkar-Ola city, Russia

*[email protected]

CERAMICS BASED ON SILICON CARBIDE WITH EUTECTIC ADDITIONS

Abstract

Efficient method of producing SiC-based composites with improved mechanical properties, doped with oxide eutectics is developed. Silicon carbide was sintered by using alumina, calcia, magnesia and yttria as sintering additives. In this investigation we studied the effect of additives ultrafine powder of silicon carbide for commercial silicon carbide powder on the mechanical properties of ceramics. A SiC : sintering additives ratio is determined, that allows to obtain a dense material with low porosity and high-strength material

Key words: silicon carbide, ceramics; sintering; eutectic compositions