CC BY
98
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 661.665:666.3.015:666.3.022
СИЛОВОЕ СВС-КОМПАКТИРОВАНИЕ НЕПОРОШКОВЫХ СЛОЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ Ti-SiC
П.В. ИСТОМИН, А.В. НАДУТКИН, В.Э. ГРАСС
Институт химии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар [email protected]
С целью получения керамического композита с наноламинатной матрицей на основе Ti3SiC2, армированной частицами SiC, экпериментально продемонстрированы возможности использования силового СВС-компактирования многослойного пакета регулярно уложенных слоёв титановой фольги и полимерной плёнки, наполненной частицами карбида кремния. Исследованы особенности фазового состава и микроструктура полученного материала.
Ключевые слова: Ti3SiC2, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, СВС-компактирование
P.V. ISTOMIN, A.V. NADUTKIN, V.E. GRASS. FORCED SHS-COMPAC-TION OF LAYERED NON-POWDER Ti-SiC COMPOSITIONS
A new technique for fabrication of ceramic composite with nanolaminate Ti3SiC2-based matrix reinforced by SiC particles is developed. The proposed method consists in the force SHS-compacting of multilayer stack comprising of alternate layers of titanium foils and SiC-filled polymer films. Analysis of the phase composition and microstructure of prepared material is presented.
Key words: Ti3SiC2, self-propagating high-temperature synthesis, SHS-compaction
Характерной особенностью керамических материалов на основе карбидосилицида титана Т^Ю2 являются высокая трещиностойкость, нечувствительность к термоудару, а также хорошая механическая обрабатываемость. Проявление подобных свойств главным образом обусловлено слоистостью кристаллической структуры Ть^Ю2, выражающейся в относительно слабой связи между карбидными слоями [Т^С2]„„ и разделяющими их слоями атомов кремния ^¡]„„. Благодаря такому наноламинатному строению зёрна Ть^Ю2 при нагрузке способны сильно деформироваться, локализуя механические повреждения материала, препятствуя тем самым его макроскопическому разрушению [1, 2].
Несмотря на очевидный инновационный потенциал материалов на основе Ть^Ю2, их промышленное освоение сдерживается высокой стоимостью и технической сложностью известных методов получения: горячего изостатического прессования [3-6], искрового плазменного спекания [7, 8], химического осаждения из газовой фазы [9, 10] и т.п. Поиск технологически и экономически эффективных способов производства - одна из наиболее актуальных задач современного этапа исследований. Перспективным направлением её решения может стать применение методов самораспростра-няющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в сочетании с использованием слоевых реакционных
композиций, представляющих собой пакеты регулярно уложенных реагентов в виде плёнок и фольг. Технико-экономические преимущества подобного подхода выражаются в характерном для СВС низком уровне энергетических и временных затрат, а также высокой технологичности использования непорошковых реагентов при производстве крупногабаритных изделий.
В настоящей работе изложены результаты лабораторных экспериментов по получению керамики Т^Ю^Т^Ь^Ю путём силового СВС-компак-тирования слоевой реакционной композиции Т^Ю.
Методика эксперимента
В качестве источника титана применялась фольга ВТ 1-0 толщиной 55 мкм. Источником кремния и углерода служила полимерная плёнка толщиной 135 мкм, изготовленная на основе поливинилового спирта (ПВС) с наполнением изометричными частицами карбида кремния, средний размер которых составлял 20 мкм, массовая доля SiC -70 %. Образцы, сформированные путём многослойной укладки реагентов, как показано на рис. 1, подвергались вакуумной термообработке под механической нагрузкой 200 кН/м2. Температурный режим включал два изотермических участка: 1) при 400°С в течение 30 мин для удаления ПВС; 2) при 1340 °С в течение 15 мин для проведения синтеза.
Титановая фольга Рис. 1. Схема укладки исходных реагентов.
Состав продуктов синтеза контролировался методами рентгенофазового анализа с использованием дифрактометра Shimadzu XRD-6000 (CuKa излучение, Ni-фильтр). Анализ дифрактограмм проводился с помощью программы POWDER CELL [11]. Для исследования микростроструктуры использовался оптический микроскоп ЛОМО Полам Р-312.
Результаты и обсуждение
В ходе экспериментов установлено, что в процессе термообработки слоевой композиции Ti-SiC при температуре 1320 °С происходит инициирование реакции СВС, которая сопровождается саморазогревом образца, что наблюдается визуально. Рентгенофазовый анализ продуктов синтеза, как видно из рис. 2, обнаруживает присутствие Ti3SiC2, TiSi2 и SiC в количествах 65 об.%, 14 об.% и 18 об.%, соответственно, а также следы TiC и Ti5Si3Cx. Линейная усадка в направлении приложения нагрузки достигает 25-30 %, в то время как планарные размеры образца при термообработке практически не изменяются. Кажущаяся плотность полученного материала составляет 3.36 г/см3, что соответствует 80% от теоретического значения.
Относительно высокая остаточная пористость, по-видимому, обусловлена тем, что приложенная при СВС-компактировании нагрузка оказалась недостаточной для эффективного уплотнения материала. Микроструктура синтезированного композита характеризуется равномерным распределением частиц ЭЮ и изолированных пор в матрице Ti3SiC2-TiSІ2. Фрагмент микроструктуры полученного образца представлен на рис. 3.
Поры
Матрица Ti3SiC2-TiSi2 Частицы SiC
20°
Рис. 2. Дифрактограмма продуктов синтеза. ▼ - Ti3SiC2; о - TiSi2; □ - SiC.
Рис. 3. Микрофотография поперечного среза синтезированного керамического композита Т3ЗЮ2-Т1£й.2-&С.
Основываясь на сопоставлении полученных результатов с известными литературными данными [12, 13], можно заключить, что механизм фазообра-зования в исследуемой слоевой системе ТнЭЮ в целом не отличается от имеющего место в случае порошковых реакционных смесей элементов и бинарных соединений системы ТнЭнС. При достижении температуры 1320 °С взаимодействие исходных реагентов, протекавшее до этого по диффузионному механизму, переключается в режим СвС. Стадия горения сопровождается образованием титан-кремний-углеродного расплава с последующей кристаллизацией Т^ЭЮ2 и при его
остывании. Под действием приложенной механической нагрузки происходит уплотнение материала. При этом непрореагировавший ЭЮ оказывается равномерно распределён в матрице Т^ЭЮ2-те^. Согласно диаграмме фазовых равновесий системы ТнЭнС [14], достигаемый состав продуктов близок к равновесному при температуре термообработки. В целом процесс может быть представлен брутто-рекцией:
3.5Т + (2+х)ЭЮ = ТзЭЮ2 + 0.5Т1Э12 + хЭС Заключение
Таким образом, экспериментально обоснована принципиальная возможность использования силового СВС-компактирования слоевых непорошковых композиций ТнЭю для получения керамических композитов с матрицей на основе Т^ЭЮ2.
Дальнейшее совершенствование предложенного метода предполагает оптимизацию его технологических параметров, включая поиск эффективных способов пакетирования и оптимальной конфигурации реакционных композиций, определение оптимальной величины механической нагрузки при СВС-компактировании, а также рационализацию температурно-временных режимов процесса.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 11-03-00529-a).
Литература
1. Barsoum M. W., El-Raghy T. Synthesis and Characterization of a Remarkable Ceramic: Ti3SiC2// J. Amer. Ceram. Soc., 1996. Vol. 79 [7]. P. 1953-1956.
2. Разработка наноструктурированных керамических композитов / Б.А.Голдин, В.Э.Грасс, П.В.Истомин, Н.А.Секушин, Ю.И.Рябков // Известия Коми НЦ УрО РАН, 2010. № 1. С. 16-23.
3. Gao N. F., Miyamoto Y., Zhang D. Dense Ti3SiC2 Prepared by Reactive HIP // J. Mater. Sci., 1999. Vol. 34 [18]. P. 4385-4392.
4. Zhou Y. C, Sun Z. M, Chen S. Q., Zhang Y. In-Situ Hot Pressing / Solid-Liquid Reaction Synthesis of Dense Titanium Silicon Carbide Bulk Ceramics // Mater. Res. Innov., 1998. № 2. P. 142-146.
5. Feng A., Orling T, Munir Z. A. Field-Activated Pressure-Assisted Combustion Synthesis of Polycrystalline Ti3SiC2 // J. Mater. Res., 1999. Vol. 14 [3]. P. 925-939.
6. Bai Y. L, He X. D, Zhu C. C, Qian X. K. Preparation of Ternary Layered Ti3SiC2 Ceramic by SHS/PHIP // Key Eng. Mater., 2008. Vols. 368-372. P. 1851-1854.
7. Zou Y, Sun Z. M, Tada S., Hashimoto H. Synthesis Reactions for Ti3SiC2 through Pulse Discharge Sintering TiH2/Si/TiC Powder Mixture // Mater. Res. Bull., 2008. Vol. 43 [4]. P. 968975.
8. Konoplyuk S., Abe T., Uchimoto T, Takagi T. Ti3SiC2/TiC Composites Prepared by PDS // J. Mater. Sci., 2005. Vol. 40 [13]. P. 3409-3413.
9. Goto T., Hirai T. Chemically Vapor Deposited Ti3SiC2 // Mater. Res. Bull., 1987. Vol. 22 [9]. P. 1195-1201.
10. Jacques S., Fakih H., Viala J.-C. Reactive Chemical Vapor Deposition of Ti3SiC2 with and without Pressure Pulses: Effect on the Ternary Carbide Texture // Thin Solid Films. 2010. Vol. 518 [18]. P. 5071-5077.
11. Kraus W., Nolze G. Powder Cell - A Program for the Representation and Manipulation of Crystal Structures and Calculation of the X-Ray Powder Patterns // J. Appl. Cryst., 1996. Vol. 29 [3]. P. 301-303.
12. Riley D. P., Kisi E. H., Hansen T. C., Hewat A. W. Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Ti3SiC2: I. Ultra-High Speed Neutron Diffraction Study of the Reaction Mechanism // J. Amer. Ceram. Soc., 2002. Vol. 85 [10]. P. 2417-2424.
13. Cyrdoba J. M., Sayaguus M. J., Alcal6 M. D., Gotor F. J. Synthesis of Ti3SiC2 Powders: Reaction Mechanism // J. Amer. Ceram. Soc., 2007. Vol. 90 [3]. P. 825-830.
14. Materials Science International Team (MSIT),
Du Y., Huang B., Liu H., Liu Y., Pan Z., Xu H. C-Si-Ti (Carbon - Silicon - Titanium) / Ternary Alloy Systems: Phase Diagrams, Crystallo-
graphic and Thermodynamic Data. V. IV/11A4: Light Metal Systems. Part 4. Eds. Ilyenko S., Effenberg G. Springer Materials -The Landolt-Burnstein Database. Berlin, New York: Springer-Verlag. 2006.
Статья поступила в редакцию 01.07.2011.
