Материалы из прекурсоров твёрдых растворов бора в карбиде кремния, полученные методом искрового плазменного спекания Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.772-774 УДК: 666.3-13; 666.3-18

МАТЕРИАЛЫ ИЗ ПРЕКУРСОРОВ ТВЁРДЫХ РАСТВОРОВ БОРА

В КАРБИДЕ КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ А. В. Феоктистов, Н. А. Попова

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Аннотация

Рассмотрена возможность получения материалов из прекурсоров твёрдых растворов бора в карбиде кремния субмикронного размера методом искрового плазменного спекания. Определено влияние концентрации добавки бора (SiC-xB, где х = 3, 5, 7, 10 мас. %) и времени выдержки при температуре обжига на свойства полученных материалов. Для полученных материалов были измерены кажущаяся плотность, открытая пористость и прочность при изгибе. Наибольшей прочностью (~ 400 Мпа) обладал материал, прекурсор которого содержал 7 мас. % добавки бора, при плотности материала ~ 3,08 г/см3. Ключевые слова:

карбид кремния, аморфный бор, искровое плазменное спекание, твёрдые растворы, добавки акцепторного типа.

MATERIALS FROM PRECURSORS OF BORON SOLID SOLUTIONS IN SILICON CARBIDE OBTAINED BY SPARK PLASMA SINTERING METHOD

A. V. Feoktistov, N. A. Popova

D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Abstract

WE have considered the possibility of obtaining materials from the precursors of solid solutions of boron in silicon carbide by the method of spark plasma sintering. The influence of the concentration of doping boron (SiC-xB, x = 3, 5, 7, 10 % by weight) and the firing time at the density, porosity and flexural strength of the obtained materials, was determined. The maximum flexural strength (~ 400 MPa) has a material which contained 7 wt. % doping boron, with a material density of ~ 3,08 g/cm3 and zero open porosity. Keywords:

silicon carbide, amorphous boron, spark plasma sintering, solid solutions, acceptor additives.

В связи с развитием техники появляются все более высокие требования к эксплуатационным свойствам используемых материалов и возникает необходимость в получении материалов с более совершенным набором свойств и характеристик. Карбид кремния обладает уникальным набором физико-химических характеристик (низкая плотность, высокая прочность, твердость, модуль упругости и низкий коэффициент расширения), что делает его перспективным при разработке материалов с повышенными рабочими температурами [1].Основной проблемой карбида кремния является низкий коэффициент диффузии, вследствие чего необходимым становится использование методов горячего прессования и горячего изостатического прессования спекания для получения материалов высокой плотности на его основе [2].

Одним из путей увеличения диффузионной активности карбида кремния является легирование элементами, увеличивающими коэффициент диффузии и позволяющими получать материалы на его основе при более низких температурах. С позиции твердых растворов наиболее интересными являются твердые растворы карбида кремния с добавками акцепторного типа (B, Be, Al, Ga и др.), поскольку донорные примеси снижают коэффициент самодиффузии углерода С в материале, что приводит к резкому росту зерна и снижению механических свойств получаемого материала. К сожалению, растворение примесей в карбиде кремния носит сильный приповерхностный характер, что, в свою очередь, снижает растворимость добавок в нем [3].

Одним из методов, позволяющих получать плотные материалы с высокими физико-механическими свойствами за счёт низкой степени рекристаллизации при обжиге, является метод искрового плазменного спекания (ИПС), уменьшающий время обжига до высокой относительной плотности до нескольких минут [4].

В настоящей работе было изучено влияние концентрации добавки бора и времени спекания на спекание и свойства материалов, полученных из прекурсоров твёрдых растворов бора в карбиде кремния.

Для синтеза прекурсоров твёрдых растворов использовался карбид кремния, полученный высокоэнергетическим измельчением в мельнице планетарного типа с характеристическим размером d500 = 0,8 мкм. Смешение карбида кремния с аморфным бором (30-50 нм) в концентрациях 3, 5, 7 и 10 мас. % бора проводили в мельнице планетарного типа. Синтез твёрдых растворов проводился в печи сопротивления

с графитовыми нагревателями при температуре 1500 °С по следующему режиму: создание вакуума 10-3мм рт. ст., нагрев в вакууме до 300 °С со скоростью нагрева 5 °С/мин, выдержка в вакууме при температуре 300 °С для проведения дегазации, создание атмосферы аргона, нагрев до 1500 °С со скоростью нагрева 10 °С/мин, выдержка при температуре синтеза 1 ч. Полученный прекурсор измельчался в мельнице планетарного типа до = 0,9 мкм. Искровое плазменное спекание проводили в среде аргона при температуре 1850 °С со скоростью нагрева 600 °С/мин с выдержкой при максимальной температуре 6, 10, 15 и 25 мин, давление прессования для всех составов 20 кН. Результаты по определению кажущейся плотности, открытой пористости и прочности при изгибе полученных материалов составов 8Ю-хБ (х = 3, 5, 7, 10 мас. %) представлены на рисунках 1-3 соответственно.

Время выдержки, мин •••••• 3%Б 5%Б — > 7%Б • 10%Б

Рис. 1. Изменение кажущейся плотности образцов всех составов, полученных из прекурсоров шихты, как функция от времени выдержки при температуре обжига

%

12

10 ь

§ 8 т

о 6 « 6

р

о п

т

ы р

& -2 5 10 15 20 25

^ Время выдержки, мин

...... 81С-3%Б —•— 8Ю-5%Б ----8Ю-7%Б--8Ю-10%Б

Рис. 2. Открытая пористость образцов, полученных из прекурсоров твёрдых растворов, как функция от времени выдержки при температуре обжига

С

450

400

350

300 СГ

250

200

150

е б и г

3 и

и рип

ь т с о н

4 о

р Время выдержки, мин

10 15 20 25

8Ю-3%Б 8Ю-5%Б 8Ю-7%Б • 8Ю-10%Б

Рис. 3. Изменение прочности при изгибе образцов, полученных из прекурсоров шихты, как функция от времени выдержки при температуре обжига

Согласно рисунку 1 для состава SiC —3 % B величина кажущейся плотности увеличивается во всём исследуемом временном интервале от 6 до 25 мин выдержки и достигает значения 3,01 г/см3. Для материалов состава SiC — 5 % B величина кажущейся плотности увеличивается с 6 до 15 мин выдержки и выходит на постоянное значение (3,12 г/см3). Для материалов составов SiC — 7 % B, SiC — 10 % B время выдержки в интервале от 6 до 25 мин не приводит к изменению кажущейся плотности (3,08 г/см3 для состава SiC — 7 % B и 3,03 г/см3 для состава SiC — 10 % B).

Из данных по открытой пористости (рис. 2) следует, что для материалов составов SiC — 7 % B и SiC — 10 % B, полученных из прекурсоров шихты SiC-B, во всём временном интервале выдержки при температуре обжига 1850 °С удаётся достичь нулевой открытой пористости. Для материалов состава SiC — 5 % B нулевой открытой пористости достигается при 10 мин выдержки. Для состава SiC —3 % B при 25 мин выдержки открытая пористость составляет ~ 0,5 %.

Величина прочности при изгибе для состава SiC — 3 % B монотонно увеличивается и достигает ~ 220 МПа, что связано с уменьшением открытой пористости и уплотнением материала. Величина прочности при изгибе для состава SiC — 5 % B увеличивается до 15 мин выдержки и выходит на постоянное значение, что связано с достижением при 10 мин выдержки нулевой открытой пористости и выходом на плато значения кажущейся плотности при 15 мин выдержки. При 10 мин выдержки значения прочности при изгибе для составов SiC — 7 % B и SiC — 10 % B выходят на постоянное значение и составляют ~ 400 МПа и ~ 280 МПа соответственно. Стоит заметить, что для составов SiC — 7 % B и SiC — 10 % B увеличение времени выдержки не приводит к уменьшению прочности получаемых материалов, что может косвенно свидетельствовать о перспективности данных материалов для работы в области высоких температур длительный срок.

В исследуемом интервале концентраций бора (от 3 до 10 мас. %) материал с нулевой открытой пористостью удалось получить при содержании бора 7 и 10 мас. % во всём исследуемом интервале времени выдержки (от 6 до 25 мин), а для состава, содержащего в прекурсоре 5 мас. % бора, — при 10 мин выдержки. Плотность материалов, содержащих добавку бора в количестве 7 и 10 мас. %, после 10 мин выдержки при температуре обжига 1850 °С сохраняла постоянное значение (3,08 и 3,03 г/см3соответственно). Наибольшей прочностью обладал материал, полученный из прекурсора, содержащего 7 мас. % бора, и составила ~ 400 Мпа.

Литература

1. Керамика для машиностроения / А. П. Гаршин и др. М. :Научтехлитиздат, 2003. 380 с., ил.

2. Stobierski L., Gubernat A. Sintering of silicon carbide II. Effect of boron // Ceramics International. 2003. No. 29. P. 355-361.

3. Карбид кремния: технология, свойства, применение / О. А. Агеев и др.; под общ. ред. член-корр. НАНУ, д. ф.-м. н., проф. А. Е. Беляева и д. т. н., проф. Р. В. Конаковой. Харьков: ИСМА, 2010. 532 с.

4. Biswas K. Solid state sintering of SiC-ceramics // Materials Science Forum. 2009. Vol. 624. P. 71-89.

Сведенья об авторах Феоктистов Алексей Владимирович

аспирант, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия alvlfeoktistov@gmail. com Попова Нелля Александровна

старший преподаватель, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, России popova@muctr.ru

FeoktistovAlekseyVladimirovich

Graduate Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia alvlfeoktistov@gmail.com

PopovaNellyaAleksandrovna

Senior Lecturer, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia popova@muctr.ru

DOI: 10.25702/^^2307-5252.2018.9.1.774-779 УДК 666.266.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «КОЛЛОИДНОГО КОМПОНЕНТА» В ПРОЦЕССЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ШЛИКЕРА НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

Д. В. Харитонов1,2, А. А. Анашкина12, М. С. Моторнова1,2, Н. А. Макаров1

1 Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия

2 АО «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А. Г. Ромашина», г. Обнинск, Россия