CC BY
160
UDC 539.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -6-2166-2171
MECHANICAL PROPERTIES OF CERAMICS BASED ON SILICON NITRIDE
© O.A. Lukyanova1), V.A. Fedorov2), V.Y. Novikov 1), V.V. Krasilnikov1), V.V. Sirota1)
1)1 Belgorod National Research University 85, Pobedy St., Belgorod, Russian Federation, 308015
E-mail: [email protected] 2) Tambov State University named after G.R. Derzhavin 33 Internatsionalnaya St., Tambov, Russian Federation, 392000 E-mail: [email protected]
Basing on the example of ceramics research based on silicon nitride with the addition of Al2O3-Y2O3 oxides was made by cold isostatic pressing and free nodulizing in a nitrogen atmosphere at temperature 1650 °C for an hour was shown that the model procured by finite elements method, adequately interprets the results of the experiment and conforms with empirical results of research on diaxonic pressure, received by the method of "ball on three balls". Basing on the presented model taking into consideration banding characteristic on the basis of silicon nitride the character of spread of critical crack in the studied material is foreseen. Besides, it was shown that the received ceramic material based on silicon nitride with addition of yttrium oxide and aluminium, received by sintering in a nitrogen atmosphere is characterized by highly mechanical features comparing to other materials of this class particularly resistance to cracking of the received material, measured by the method of mechanical tests of specimen with v-type notch at three-point bending was 3.2 MPa-m1/2. Key words: silicon nitride; mechanical features; diaxonic pressure; finite elements method
REFERENCES
1. Danzer, R., Harrer W., Supancic P., Lube T., Wang Z., Börger A. The ball on three balls test-strength and failure analysis of different materials. Journal of the European ceramic society, 2007, vol. 27, no. 2-3, pp. 1481-1485.
2. Luk'yanova O.A., Sirota V.V., Krasil'nikov V.V., Selemenev V.F., Dokalov V.S., Altukhov A.Yu., Ageev E.V. Issledovanie struktury i svoystv keramiki na osnove nitrida kremniya s dobavleniem oksida magniya [The research of structure and features of ceramics based on silicon nitride with adding magnesia oxide]. Sbornik nauchnykh statey 2 Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Fizika i tekhnologiya nanomaterialov i struktur»: v 2 t. [A collection of scientific articles of 2 International scientific-practical conference "Physics and technology of nanomaterials and structure": in 2 volumes]. Kursk, 2015, vol. 1, pp. 104-110. (In Russian).
3. Krasil'nikov V.V., Sirota V.V., Ivanov A.S., Luk'yanova O.A., Ivanisenko V.V., Kozlova L.N. Ivestigation of the structure of Si3N4-based ceramic with Al2O3 and Y2O3 additives. Glass and Ceramics, 2014, vol. 71, no. 1-2, pp. 15-17.
4. Krasil'nikov V.V., Sirota V.V., Ivanov A.S., Kozlova L.N., Luk'yanova O.A., Ivanisenko V.V. Issledovanie struktury keramiki na osnove Si3N s dobavkami Al2O3 i Y2O3 [The study of structures of ceramics basing on Si3N with adding Al2O3 and Y2O3]. Steklo i keramika — Glass and Ceramics, 2014, no. 1, pp. 17-19. (In Russian).
5. Sirota V.V., Ivanisenko V.V., Krasil'nikov V.V., Savotchenko S.E., Luk'yanova O.A. Svoystva nanostrukturnoy keramiki na primere analiza mikrostruktury poroshkov dioksida tsirkoniya i mekhanicheskikh kharakteristik nitrida kremniya [Features of nano-structures of ceramics basing on the example of microstructures of dioxide powder of zirconium and mechanical characteristics of silicon nitride]. Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta im. Yaroslava Mudrogo — Vestnik of Yaroslav the Wise Novgorod State University, 2013, no. 73-2, pp. 113-116. (In Russian).
6. Sirota V.V., Ivanisenko V.V., Krasil'nikov V.V., Luk'yanova O.A., Savotchenko S.E. Eksperimental'noe i analiticheskoe issledovanie mekhanicheskikh kharakteristik kompozitsionnoy keramiki na osnove nitrida kremniya [Experimental and analytical investigation of mechanical properties of composited ceramics constructed on the base of silicium nitride]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, 2013, vol. 18, no. 4, pp. 18651866. (In Russian).
7. Sirota V.V., Krasil'nikov V.V., Savotchenko S.E., Luk'yanova O.A., Ivanisenko V.V. Mekhanicheskie svoystva kompozitsionnoy keramiki na osnove nitrida kremniya [Mechanical features of compositional ceramics basing on silicon nitride]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki — News of the Tula state university. Natural sciences, 2014, no. 2, pp. 264-269. (In Russian).
8. Luk'yanova O.A., Sirota V.V., Tushtev K., Khorvat Yu., Krasil'nikov V.V., Ivanov A.S., Kozlova L.N., Issledovanie mekhanicheskikh svoystv konstruktsionnoy keramiki na osnove Si3N4 c dobavkami Al2O3 i Y2O3 [Investigation of mechanical properties of structural ceramics based on Si3N4 with addition Al2O3 and Y2O3]. Deformatsiya i razrushenie materialov — Russian metallurgy (Metally), 2015, no. 5, pp. 17-19. (In Russian).
9. Lukianova O. Mechanical and elastic properties of new silicon nitride ceramics produced by cold isostatic pressing and free sintering.
Ceramics International, 2015, vol. 41, pp. 13716-13720.
2170
10. Luk'yanova O.A., Krasil'nikov V.V. Izuchenie uprugikh kharakteristik konstruktsionnogo keramicheskogo materiala na osnove Si3N4 s dobavkami Al2O3 i Y2O3 [The study of elastic constant of construction ceramic material based on Si3N4 with addings of A12O3 and Y2O3]. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika [Firebrick and technical ceramic], 2015, no. 7-8. pp. 21-24. (In Russian).
11. Luk'yanova O.A., Krasil'nikov V.V. Izuchenie radiotekhnicheskikh kharakteristik konstruktsionnoy keramiki na osnove nitrida kremniya [The study of radiotechnical characteristics of construction ceramics based on silicon nitride]. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika -Castable refractory and technical ceramics, 2015, no. 10, pp. 29-31. (In Russian).
12. Börger A., Supancic P., Danzer R. The ball on three balls test for strength testing of brittle discs: stress distribution in the disc. Journal of the European Ceramic Society, 2002, vol. 22, pp. 1425-1436.
13. Godfrey D.J. Fabrication, formulation, mechanical properties, and oxidation of sintered Si3N4 ceramics using disc specimens. Mat. Sci. and Technology, 1985, vol. 1, pp. 510-515.
14. Quinn J.B., Quinn G.D. Indentation brittleness of ceramics: a fresh approach. Journal of Materials Science, 1997, vol. 32, no. 16, pp. 4331-4336.
GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of RFFR (grant no. 16-38-50119 Mon_Hp.) Received 7 September 2016
Lukyanova Olga Aleksandrovna, Belgorod National Research University, Belgorod, Russian Federation, Post-graduate Student, Theoretical and Mathematical Physics Department, Engineer of Scientific-Technical Centre of Structural Ceramics and Engineering Prototyping, e-mail: [email protected]
Fedorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: [email protected]
Novikov Vseslav Yurevich, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Post-graduate Student, Theoretical and Mathematical Physics Department, Junior Research Worker of Center of Collective Use of Scientific Equipment "Diagnostics of Structure and Properties of Nanomaterials", e-mail: [email protected]
Krasilnikov Vladimir Vladimirovich, Belgorod National Research University, Belgorod, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor of Material Science and Nanotechnologies Department, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
Sirota Vyacheslav Viktorovich, Belgorod National Research University, Belgorod, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Head of Scientific-Technical Centre of Structural Ceramics and Engineering Prototyping, e-mail: [email protected]
Информация для цитирования:
Лукьянова О.А., Федоров В.А., Новиков В.Ю., Красильников В.В., Сирота В.В. Механические свойства керамики на основе нитрида кремния // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2016. Т. 21. Вып. 6. С. 2166-2171. DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-6-2166-2171
Lukyanova O.A., Fedorov V.A., Novikov V.Y., Krasilnikov V.V., Sirota V.V. Mekhanicheskie svoystva keramiki na osnove nitrida kremniya [Mechanical properties of ceramics based on silicon nitride]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i
2171
tekhnicheskie nauki — Tambov University Review. Series: Natural and Technical Sciences, 2016, vol. 21, no. 6, pp. 2166-2171. DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-6-2166-2171 (In Russian).
2172
УДК 539.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -6-2172-2176
УПРУГИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ
© О.А. Лукьянова1*, В.А. Федоров2*, В.Ю. Новиков1*, В.В. Красильников1*, В.В. Сирота1*
1) Белгородский государственный университет 308015, Российская Федерация, г. Белгород, ул. Победы, 85 E-mail: [email protected] 2) Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина 392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33 E-mail: [email protected]
Были исследованы закономерности влияния добавок оксидов магния, иттрия и алюминия на примере композиций типа Л12О3-У2О3 и Л12O3-MgO на упругие свойства керамического материала на основе нитрида кремния, полученного свободным спеканием в атмосфере азота и искровым плазменным спеканием. В частности, на примере исследования керамики на основе нитрида кремния, изготовленной свободным спеканием при температуре 1650 °С с добавлением оксидов 9 мас.% Л12О3 и 6 мас.% У2О3, и изготовленной свободным спеканием при температуре 1800 °С с добавлением оксидов 6 мас.% Л12О3 и 2 мас.% MgO было показано, что полученные материалы характеризуются близким значением модуля Юнга в узком диапазоне 248-250 ГПа. В то же время было установлено, что материалы на основе нитрида кремния, полученные искровым плазменным спеканием при температурах 1550 и 1650 °С с добавлением аналогичного состава оксидов Л12О3-У2О3 и Л12O3-MgO, характеризуются более высокими показателями модуля Юнга в интервале 280-300 ГПа. Приведены экспериментальные кривые типа нагрузка-разгружение индентора для исследуемых материалов на основе нитрида кремния с добавлением оксидных систем типа Л12О3-У2О3 и Л12O3-MgO, полученных искровым плазменным спеканием. Ключевые слова: нитрид кремния; упругие свойства; модуль Юнга; искровое плазменное спекание; свободное спекание
ВВЕДЕНИЕ
Керамика на основе нитрида кремния в последнее время находит широкое применение во многих областях современной промышленности, где требуется устойчивость к воздействию высоких температур [1]. Данное явление объясняется удачным сочетанием свойств и характеристик рассматриваемой группы керамических материалов на основе нитрида кремния, а именно, как физических свойств (термостабильность, низкий коэффициент термического расширения), так и механических свойств (в т. ч. модуля Юнга).
Ключевым аспектом, оказывающим влияние на механические (в т. ч. упругие) свойства керамического материала, является метод его изготовления. Очевидно, что упругие свойства керамики на основе нитрида кремния обусловлены способом ее получения. Так, к примеру, модуль Юнга, керамики на основе нитрида кремния, полученной методами ГИП (горячее изоста-тическое прессование) и SPS (плазменное искровое спекание), в среднем на 30 % превышает аналогичный показатель керамических материалов, полученных методом реакционного связывания [2]. Ввиду постоянно растущего интереса науки и оборонного комплекса к применению данного типа керамики, а также высокой дороговизны таких методов, как ГИП и SPS, очевидна необходимость разработки новых бюджетных перспективных методов производства керамики на основе нитрида кремния, а также исследование комплекса физи-
ческих и упругих характеристик полученной керамики. Методы свободного спекания и искрового плазменного спекания являются экономически и технически целесообразной альтернативой известным коммерческим дорогостоящим методам, в частности, методу ГИП [3].
Наиболее значимыми упругими свойствами конструкционной керамики являются модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона. Модуль Юнга чистого нитрида кремния составляет 298 ГПа, а коэффициент Пуассона - 0,3. Известно, что модуль Юнга керамики на основе нитрида кремния, полученной методом реакционного связывания, составляет 160ГПа, в то время как модуль Юнга нитрида кремния, полученного методами ГИП и SPS, более 240 ГПа [2].
В данной работе керамика на основе нитрида кремния была получена методом свободного спекания в атмосфере азота при температуре 1650 °С с добавлением оксидов 9 мас.% Al2O3 и 6 мас.% Y2O3. Методом свободного спекания в атмосфере азота при температуре 1800 °С был получен керамический материал на основе нитрида кремния с добавлением оксидов 6 мас.% Al2O3 и 2 мас.% MgO. Порошки смешивались в дисковой мельнице Retsch RS-220-230B. Время приготовления смесей составляло 20 мин. Скорость перемешивания 250 об./мин. Компактирование осуществлялось при комнатной температуре и давлении 200 МПа. Время выдержки составляло 90 с. Процесс спекания был проведен в атмосфере азота (1 атм.) в выскоотем-пературной печи Nabertherm VHT 8/22-GR. Более под-
2172
робно технология получения и некоторые особенности структуры и механических свойств данного типа материалов описаны в наших предыдущих работах [4-13].
Используемый порошок оксида магния был синтезирован по новой инновационной технологии из гексо-гидрата нитрата магния (Mg((NO3)2•6H2O), который в свою очередь был получен методом выщелачивания в азотной кислоте из серпентинита Халиловского месторождения Оренбургской области. Подробные характеристики данного порошка, а также технология его получения детально описаны в наших предыдущих работах [1; 14].
На сегодняшний день широкую популярность ввиду простоты применения на практике получил метод измерения модуля индентирования, основанный на анализе кривой нагрузки-разгружения индентора. Модуль индентирования был измерен с помощью автоматизированного прибора Shimadzu DUH-211/DUH-211S.
Керамика на основе нитрида кремния характеризуется высоким показателем модуля упругости [2]. Упругие характеристики нитрида кремния прямо пропорциональны показателю пористости и, очевидно, зависят от плотности.
Значение модуля Юнга для керамики на основе нитрида кремния с добавлением Al2Oз-Y2Oз, полученной свободным спеканием в атмосфере азота, составило 250 ГПа (табл. 1). В свою очередь, модуль Юнга материала на основе нитрида кремния с добавлением Al2O3-MgO, полученной свободным спеканием в атмосфере азота, составил 248 ГПа (табл. 1).
Как упоминалось ранее, упругие свойства (модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона), равно как и механические свойства зависят от метода получения керамики. К примеру, модуль упругости нитрида кремния, полученного реакционным связыванием, варьируется от 160 до 200 ГПа (V = 0,23), в то время как модуль Юнга нитрида кремния, полученного методом ГИП, почти вдвое выше (Е = 320 ГПа, V = 0,28) [2]. M. Шимада и др. [15] описали высокотемпературную зависимость модуля упругости нитрида кремния, полученного методом ГИП. При комнатной температуре его значение составляло 250 ГПа. С повышением температуры в диапазоне от 650 до 800 X наблюдалось линейное снижение модуля Юнга керамики.
На рис. 1 приведены кривые нагрузки-разгрузки индентора, полученные при измерении модуля Юнга полученных искровым плазменным спеканием керамических материалов на основе нитрида кремния с различными композициями оксидных спекающих добавок, в частности таких систем, как MgO-Al2Oз и Y2Oз-Al2Oз.
Численные показатели модуля Юнга исследуемых образцов, полученных искровым плазменным спеканием, представлены в табл. 2. Анализируя полученные результаты, можно отметить, что материалы, имеющие в составе шихты оксид магния, характеризуются более низкими показателями модуля Юнга. Так, в частности, для нитрида кремния, спеченного при температурах 1550 и 1650°С с добавлением MgO-Al2O3, модуль Юнга составляет 285 и 280 ГПа соответственно. Максимальный модуль индентирования продемонстрировал материал с добавлением Y2O3-Al2O3, спеченный при температуре 1650 X (300 ГПа). Модуль Юнга материала, изготовленного искровым плазменным спеканием при 1550 X с добавлением Y2O3-Al2O3, составил 288 ГПа. В целом, все исследуемые материалы на основе нитрида кремния с различными спекающими добавками, полученные искровым плазменным спеканием, продемонстрировали более высокий уровень модуля упругости, нежели материалы, полученные спеканием без давления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Конструкционные керамические материалы на основе нитрида кремния с добавками оксидов иттрия, алюминия и магния, полученные методами свободного спекания и искрового плазменного спекания, демонстрируют высокие упругие характеристики. В частности,
Таблица 1
Упругие свойства полученных свободным спеканием керамических материалов на основе нитрида кремния
Модуль Юнга MgO-Al2O3 А1203^203
Еи 248 250
1.0 1,5
И, мкм
а)
0,2 Ь, мкм
б)
Рис. 1. Кривые нагрузки-разгрузки индентора для нитрида кремния, полученного искровым плазменным спеканием с добавлением а) Al2Oз-Y2Oз; б) MgO-Al2Oз
2173
Таблица 2
Упругие свойства полученных искровым плазменным спеканием керамических материалов на основе нитрида кремния
Свойства MgO-Al2O3 Y2Û3- Al2Û3
T, °C 1550 1650 1550 1650
En 285 280 288 300
модуль Юнга керамики на основе нитрида кремния с добавлением оксидов 6 мас.% Al2O3 и 2 мас.% MgO составил 248 ГПа, с добавлением 9 мас.% Al2O3 и 6 мас.% Y2O3 - 250 ГПа. Более высокий уровень модуля Юнга в диапазоне 280-300 ГПа был характерен для материалов на основе нитрида кремния, полученных искровым плазменным спеканием при температурах 1550 и 1650°C с добавлением аналогичного состава оксидов.
В данной работе показано, что конструкционная керамика на основе нитрида кремния, полученная методами свободного спекания и искрового плазменного спекания с добавками порошков оксида иттрия, алюминия и магния, ввиду высоких для данного класса материалов упругими свойствами представляется весьма перспективной в широком диапазоне потенциальных областей применения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андриевский Р.А. Нитрид кремния - синтез и свойства // Успехи химии. 1995. Т. 64. № 4. С. 311-329.
2. Munz D., Fett T. Ceramics: mechanical properties, failure behavior, materials selection // Springer. 1999. P. 298.
3. Hirao K., Ohashi M., Brito M., Kanzak S. Processing Strategy for Producing Highly Anisotropic Silicon Nitride // Journal of the American Ceramic Society. 1995. V. 78. № 6. P. 1687-1690.
4. Лукьянова О.А., Сирота В.В., Красильников В.В., Селеменев В.Ф., Докалов В.С., Алтухов А.Ю., Агеев Е.В. Исследование структуры и свойств керамики на основе нитрида кремния с добавлением оксида магния // Физика и технология наноматериалов и структур: сб. науч. ст. 2 Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 т. Курск, 2015. Т. 1. С. 104-110.
5. KrasilNikov V.V., Sirota V.V., Ivanov A.S., Luk'Yanova O.A., Ivanisenko V.V., Kozlova L.N. Ivestigation of the structure of Si3N4-based ceramic with A^O3 and Y2O3 additives // Glass and Ceramics. 2014. V. 71. № 1-2. P. 15-17.
6. Красильников В.В., Сирота В.В., Иванов А.С., Козлова Л.Н., Лукьянова О.А., Иванисенко В.В. Исследование структуры керамики на
основе Si3N с добавками AI2O3 and Y2O3 // Стекло и керамика.
2014. № 1. С. 17-19.
7. Сирота В.В., Иванисенко В.В., Красильников В.В., Савотчен-ко С.Е., Лукьянова О.А. Свойства наноструктурной керамики на примере анализа микроструктуры порошков диоксида циркония и механических характеристик нитрида кремния // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 2013. № 73-2. С. 113-116.
8. Сирота В.В., Иванисенко В.В., Красильников В.В., Лукьянова О.А., Савотченко С.Е. Экспериментальное и аналитическое исследование механических характеристик композиционной керамики на основе нитрида кремния // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 4. С. 1865-1866.
9. Сирота В.В., Красильников В.В., Савотченко С.Е., Лукьянова О.А., Иванисенко В.В. Механические свойства композиционной керамики на основе нитрида кремния // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2014. № 2. С. 264-269.
10. Лукьянова О.А., Сирота В.В., Туштев К., Хорват Ю., Красильников В.В., Иванов А.С., Козлова Л.Н. Исследование механических свойств конструкционной керамики на основе Si3N4 c добавками AI2O3 и Y2O3 // Деформация и разрушение материалов. 2015. № 5. С. 17-19.
11. Lukianova O. Mechanical and elastic properties of new silicon nitride ceramics produced by cold isostatic pressing and free sintering // Ceramics International. 2015. V. 41. P. 13716-13720.
12. Лукьянова О.А., Красильников В.В. Изучение упругих характеристик конструкционного керамического материала на основе Si3N4 с добавками A^O3 и Y2O3 // Огнеупоры и техническая керамика.
2015. № 7-8. С. 21-24.
13. Лукьянова О.А., Красильников В.В. Изучение радиотехнических характеристик конструкционной керамики на основе нитрида кремния // Огнеупоры и техническая керамика. 2015. № 10. С. 2931.
14. Sirota V. V., Lukianova O.A., Krasilnikov V. V., Selemenev V.F., Dokalov V.S. Microstructural and physical properties of magnesium oxide-doped silicon nitride ceramics // Results in Physics. 2016. V. 6. P. 82-83.
15. Shimada M., Matsushitas M., Kuratan H., Kamoto T., Tsukuma M., Ukidate T. Temperature-Dependence of Young Modulus and Internal-Friction in Alumina, Silicon-Nitride, and Partially Stabilized Zirconia Ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 1984. V. 67. № 2. P. 23-24.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям в рамках программы «У.М.Н.И.К.» - «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» в рамках проекта № 0018796 «Разработка технологии получения конструкционной керамики на основе нитрида кремния и оксида магния методом холодного изостатического прессования и свободного спекания» (договор № 9263ГУ2/2015 от 24.12.2015 г.).
Поступила в редакцию 7 сентября 2016 г.
Лукьянова Ольга Александровна, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и математической физики, инженер научно-технического Центра конструкционной керамики и инженерного прототипирования, e-mail: [email protected]
Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: [email protected]
Новиков Всеслав Юрьевич, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и математической физики, младший научный сотрудник Центра коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», e-mail: [email protected]
Красильников Владимир Владимирович, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор кафедры материаловедения и нанотехнологий, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Сирота Вячеслав Викторович, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, руководитель научно-технического Центра конструкционной керамики и инженерного прототипирования, e-mail: [email protected]
2174
UDC 539.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -6-2172-2176
ELASTIC PROPERTIES OF CERAMICS BASED ON SILICON NITRIDE
© O.A. Lukyanova1), V.A. Fedorov2), V.Y. Novikov 1), V.V. Krasilnikov1), V.V. Sirota1)
1)1 Belgorod National Research University 85 Pobedy St., Belgorod, Russian Federation, 308015
E-mail: [email protected] 2) Tambov State University named after G.R. Derzhavin 33 Internatsionalnaya St., Tambov, Russian Federation, 392000 E-mail: [email protected]
The influence and regularities of the magnesium, yttria and alumina oxide additives on the example of compositions such as Al2O3-Y2O3 and Al2O3-MgO on the elastic properties of the ceramic material based on silicon nitride obtained by free sintering in nitrogen and by spark plasma sintering were investigated. In particular based on the example of silicon nitride ceramics produced by free sintering at 1650 °C with the addition of 9 wt. % of Al2O3, and 6 wt. % of Y2O3, and obtained by free sintering at 1800 °C with the addition of 6 wt. Al2O3oxides and 2 wt. % MgO has been shown that the produced ceramics exhibit a close value of Young's modulus in a narrow range 248-250 GPa. At the same time it was found that materials based on silicon nitride obtained spark plasma sintering at temperatures of 1550 °C and 1650 °C with the same composition of addition of Al2O3-Y2O3 and Al2O3-MgO oxides have higher rates of Young's modulus in the range 280-300 GPa. The experimental curves of load-unload of the indenter of the materials based on silicon nitride with the addition of oxides systems such as Al2O3-Y2O3 and Al2O3-MgO obtained by spark plasma sintering have also been shown.
Key words: silicon nitride; elastic properties; Young's modulus; spark plasma sintering; free sintering
REFERENCES
1. Andrievskiy R.A. Nitrid kremniya-sintez i svoystva [Silicon nitride - synthesis and properties]. Uspekhi khimii — Russian Chemical Reviews, 1995, vol. 64, no. 4, pp. 311-329. (In Russian).
2. Munz D., Fett T. Ceramics: mechanical properties, failure behavior, materials selection. Springer, 1999, pp. 298.
3. Hirao K., Ohashi M., Brito M., Kanzaki S. Processing Strategy for Producing Highly Anisotropic Silicon Nitride. Journal of the American Ceramic Society, 1995, vol. 78, no. 6, pp. 1687-1690.
4. Luk'yanova O.A., Sirota V.V., Krasil'nikov V.V., Selemenev V.F., Dokalov V.S., Altukhov A.Yu., Ageev E.V. Issledovanie struktury i svoystv keramiki na osnove nitrida kremniya s dobavleniem oksida magniya [The research of structure and properties of ceramics basing on silicon nitride with sodium oxide additives]. Sbornik nauchnykh statey 2 Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Fizika i tekhnologiya nanomaterialov i struktur»: v 2 t. [A collection of scientific articles of 2nd International scientific-practical conference "Physics and technology of nano-materials and structures"]. Kursk, 2015, vol. 1, pp. 104-110. (In Russian).
5. Krasil'Nikov V.V., Sirota V.V., Ivanov A.S., Luk'Yanova O.A., Ivanisenko V.V., Kozlova L.N. Ivestigation of the structure of Si3N4-based ceramic with Al2O3 and Y2O3 additives. Glass and Ceramics, 2014, vol. 71, no. 1-2, pp. 15-17.
6. Krasil'nikov V.V., Sirota V.V., Ivanov A.S., Kozlova L.N., Luk'yanova O.A., Ivanisenko V.V. Issledovanie struktury keramiki na osnove Si3N s dobavkami Al2O3 and Y2O3 [The research of structures of ceramics basing on Si3N with additives of Al2O3 and Y2O3]. Steklo i keramika — Glass and Ceramics, 2014, no. 1, pp. 17-19. (In Russian).
7. Sirota V.V., Ivanisenko V.V., Krasil'nikov V.V., Savotchenko S.E., Luk'yanova O.A. Svoystva nanostrukturnoy keramiki na primere analiza mikrostruktury poroshkov dioksida tsirkoniya i mekhanicheskikh kharakteristik nitrida kremniya [Properties of nano-structures of ceramics basing on the example of analysis of dioxide of zirconium dust microstructures and mechanical characteristics of silicon nitride] . Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta im. Yaroslava Mudrogo — Vestnik of Yaroslav the Wise Novgorod State University, 2013, no. 73-2, pp. 113-116. (In Russian).
8. Sirota V.V., Ivanisenko V.V., Krasil'nikov V.V., Luk'yanova O.A., Savotchenko S.E. Eksperimental'noe i analiticheskoe issledovanie mekhanicheskikh kharakteristik kompozitsionnoy keramiki na osnove nitrida kremniya [Experimental and analytical investigation of mechanical properties of composited ceramics constructed on the base of silicium nitride]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, 2013, vol. 18, no. 4, pp. 18651866. (In Russian).
9. Sirota V.V., Krasil'nikov V.V., Savotchenko S.E., Luk'yanova O.A., Ivanisenko V.V. Mekhanicheskie svoystva kompozitsionnoy keramiki na osnove nitrida kremniya [Mechanical properties of compositional ceramics basing on silicon nitride]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki — News of the Tula state university. Natural sciences, 2014, no. 2, pp. 264-269. (In Russian).
10. Luk'yanova O.A., Sirota V.V., Tushtev K., Khorvat Yu., Krasil'nikov V.V., Ivanov A.S., Kozlova L.N. Issledovanie mekhanicheskikh svoystv konstruktsionnoy keramiki na osnove Si3N4 c dobavkami Al2O3 i Y2O3 [Investigation of mechanical properties of structural ce-
2175
