CC BY
15
Palatnikov Mikhail Nikolayevich
Dr. Sc. (Engineering), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Biryukova Irina Viktorovna
PhD (Engineering), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected]
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.043 УДК 666.3-13; 666.3-18.
ВЛИЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЕКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА СТРУКТУРУ МАТЕРИАЛОВ В СИСТЕМЕ КАРБИД КРЕМНИЯ — БОР
А. В. Феоктистов, Н. А. Попова, Е. С. Лукин
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия Аннотация
Рассмотрено влияние использования спековой технологии на структуру керамических материалов в системе карбид кремния — бор. Определено влияние использования спековой технологии на формирование структуры керамических изделий при содержании добавки бора (SiC-xB, где x = 5, 10 мас. %). Для полученных материалов была измерена микротвёрдость и сделана сканирующая электронная микроскопия. Материалы, полученные по бесспековой технологии, имели монолитную структуру и пористость, характерную твердофазовому механизму спекания. Материалы, полученные по спековой технологии, имели равнокристаллитную структуру с низкой межкристаллической пористостью и практически полным отсутствием областей с высокой когерентностью границ. Наибольшей твердостью (27,2 ГПа) обладал материал, содержащий 10 мас. % бора, полученный по бесспековой технологии. Ключевые слова:
карбид кремния, аморфный бор, искровое плазменное спекание, твёрдые растворы, сканирующая электронная микроскопия, структура.
INFLUENCE OF USE OF SINTERING TECHNOLOGY ON THE STRUCTURE OF MATERIALS IN THE SILICON CARBIDE — BOR SYSTEM
A. V. Feoktistov, N. A. Popova, E. S. Lukin
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Abstract
In the present work, we examined the effect of the use of pre-sintering technology on the structure of ceramic materials in silicon carbide — boron system. The influence of pre-sintering technology use on the formation of the structure of ceramic materials with the content of boron additive (SiC-xB, where x = 5, 10 wt. %) is determined. Hardness was measured for the obtained materials and scanning electron microscopy was performed. Materials obtained by classic technology had a monolithic structure and porosity characteristic of the solid-state sintering mechanism. The materials obtained by the pre-sintering technology had an equal crystalline structure with low intercrystalline porosity and an almost complete absence of regions with high coherence of boundaries. The highest hardness (27,2 GPa) was possessed by a material containing 10 wt. % boron and obtained by classic technology. Keywords:
silicon carbide, amorphous boron, spark plasma sintering, solid solutions, scanning electron microscopy, structures.
В связи с развитием техники требования, предъявляемые к эксплуатационным свойствам используемых материалов, повышаются, что диктует необходимость получения материалов с более совершенным набором свойств и характеристик. Карбид кремния обладает уникальными свойствами, такими как высокая теплопроводность, низкий коэффициент расширения, высокая температура плавления и химическая стойкость в агрессивных средах, что делает его перспективным для получения материалов с высокими рабочими температурами [1]. Основной проблемой получения плотных поликристаллических карбидокремниевых материалов является сложность уплотнения материалов по диффузионному механизму, что делает необходимым использование методов горячего прессования и горячего изостатического прессования для получения материалов высокой плотности [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 бора в карбиде кремния, поскольку бор имеет наибольший коэффициент диффузии и растворимость в решетке карбида кремния [3].
Одним из методов, позволяющих получать плотные поликристаллические керамические материалы с высокими физико-механическими свойствами, является метод искрового плазменного спекания [4]. При изготовлении керамических изделий определяющую роль играет правильно выбранные технологические переделы и их параметры для реализации теоретических перспектив выбранных материалов [5].
В настоящей работе было изучено влияние использования спековой технологии на формирование структуры и твёрдость полученных материалов в системе карбид кремния — бор. Для сравнения использовали материалы, полученные по бесспековой и спековой технологиям.
Шихту для получения материалов по бесспековой технологии получали смешением карбида кремния (dso = 0,8 мкм) с аморфным бором (30-50 нм согласно СЭМ) в концентрациях 5 и 10 мас. % бора в планетарной мельнице.
Шихту для получения материалов по спековой технологии получали из шихты для бесспековой технологии синтезом в печи сопротивления с графитовыми нагревателями при температуре 1500 °С в среде аргона и временем выдержки 1 ч с последующим помолом в мельнице планетарного типа до размера dso = 0,8 мкм. Плазменное спекание проводили в среде аргона при температуре 1850 °С со скоростью нагрева 600 °С/мин с временем выдержки при температуре обжига 6 мин и давлении прессования для всех составов 20 кН.
Сканирующая электронная микроскопия проводилась на электронных микроскопах Vega 3 и SU8000 при увеличении в 10 000 раз. Измерение микротвёрдости проводилось для образцов с нулевой открытой пористостью методом индентирования алмазной четырехгранной пирамидки Виккерса при нагрузке 500 г в соответствие с ГОСТ 9450-76. Результаты сканирующей электронной микроскопии полученных материалов представлены на рис. 1, 2. Результаты определения твёрдости для материалов состава с 10 мас. % бора представлены в таблице.
жм
- -- Се - -
1 NS^v-'^iv v' j
^ . .УД' г . Кг*
/
& ' ' ■ к
'ЯКЧ.
, С ^ Í
j *>{■, " ■ v ;
f - *■ г t
;J - . . л лЩ
ш yj íf?
rz
Рис. 1. СЭМ-изображение материалов состава БЮ — 5 % В, полученных по бесспековой (а) и спековой технологии (б)
Для материалов состава SiC — 5 % В (рис. 1, а) наблюдается микроструктура, которая слагается из кристаллов близкой изометричной формы. Наблюдается появление областей с когерентными границами основной фазы. Поры представляют из себя сплошной каркас. Пористость представлена разрозненными порами размером до 6 мкм.
Рис. 2. СЭМ-изображение материалов состава SiC — 10 % B, полученных по бесспековой (а) и спековой технологии (б)
Твёрдость керамических материалов
Состав, параметры обжига Микротвёрдость, ГПа
SiC — 10 % В, 1850 °С, 6 мин выдержки 27,2 ± 0,6
81С — 10 % В, 1850 °С, 6 мин выдержки + синтез прекурсора 25,8 ± 0,6
Для образцов состава SiC — 10 % B (рис. 2, а) при температуре обжига 1850 °С микроструктура представлена монолитным строением с высокой когерентностью границ. Наблюдающаяся пористость представлена закрытыми порами в межкристаллическом положении, в небольшом количестве наблюдаются поры сферической формы, характерные для твердофазового механизма спекания.
В отличие от материалов, полученных без предварительного синтеза шихты, материалы, полученные из прекурсоров шихты (рис. 1, б и рис. 2, б), имели равнокристаллитную структуру с низкой межкристаллической пористостью и практически полным отсутствием областей с высокой когерентностью границ.
Увеличение добавки бора для материалов, полученных из прекурсоров шихты с 5 до 10 мас. %, не вносит принципиальных изменений структуры, слагающейся равноосными зёрнами неизометричной формы. Наблюдается незначительное нарастание областей с когерентными границами, уплотнение структуры происходит за счёт уменьшения межкристаллической пористости.
Нулевой открытой пористостью обладали материалы состава, содержащего 10 мас. % бора. Из таблицы следует, что при использовании классической для карбида кремния технологии при 6 мин выдержки достигается большая микротвёрдость по сравнению с спековой технологией. Основной причиной большей твёрдости материалов без предварительного синтеза является образование плотного монолитного каркаса зёрен.
Для материалов составов SiC — 5 % B и SiC — 10 % B, полученных по бесспековой и спековой технологии, была определена твердость и исследованы результаты сканирующей электронной микроскопии. Материалы, полученные по бесспековой технологии, имели монолитную структуру и пористость, характерную для твердофазового механизма спекания. Материалы, полученные по спековой технологии, имели равнокристаллитную структуру с низкой межкристаллической пористостью и практически полным отсутствием областей с высокой когерентностью границ. Наибольшей твердостью (27,2 Гпа) обладал материал, содержащий 10 мас. % бора, полученный по бесспековой технологии.
Литература
1. Керамика для машиностроения / А. П. Гаршин и др. М.: Научтехлитиздат, 2003. 380 с.
2. Eom J. H., Kim Y. W., Raju S. Processing and properties of macroporous silicon carbide ceramics: A review // Journal of Asian Ceramic Societies. 2013. Vol. 1, No. 3. P. 220-242.
3. Карбид кремния: технология, свойства, применение / О. А. Агеев и др.; под общ. ред. члена-корр. НАНУ, д. ф.-м. н., проф. А. Е. Беляева и д. т. н., проф. Р. В. Конаковой. Харьков: «ИСМА», 2010. 532 с.
4. Matizamhuka W. R. Spark plasma sintering (SPS)-an advanced sintering technique for structural nanocomposite materials // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2016. Vol. 116, No. 12. P. 1171-1180.
5. Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / Н. Т. Андрианов и др.; под ред. И. Я. Гузмана. М.: ООО РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2011. 496 с.
Сведенья об авторах Феоктистов Алексей Владимирович
аспирант, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия,
Попова Нелля Александровна
старший преподаватель, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия, [email protected] Лукин Евгений Степанович
доктор технических наук, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия, [email protected]
Feoktistov Aleksey Vladimirovich
PhD Student, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia, [email protected]
Popova Nellya Aleksandrovna
Senior Lecturer, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia, [email protected] Lukin Evgeniy Stepanovich
Dr. Sc. (Engineering), D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia, [email protected]
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.044 УДК 666.3-127; 546.41
СОЗДАНИЕ КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОСТНЫХ ЦЕМЕНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ГРАНУЛЫ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ: ВЛИЯНИЕ СОСТАВА, РАЗМЕРА, ПОРИСТОСТИ ГРАНУЛ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, МИКРОСТРУКТУРУ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТОВ
Д. Р. Хайрутдинова, О. С. Антонова, М. А. Гольдберг, С. В. Смирнов, П. А. Крохичева
Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Москва, Россия Аннотация
Синтезированы и исследованы композиционные цементы на основе системы трикальцийфосфат (ТКФ) — сульфат кальция (СК). В цементную пасту (ТКФ) вводили второй компонент в виде модифицированных карбонат-анионами гранул из сульфата кальция. Полученные новые композиционные цементные материалы на основе системы трикальцийфосфат — карбонат — замещенный сульфат кальция (гранулы) могут найти свое применение в регенеративной медицине благодаря возможности формирования порового пространства в условиях in vivo. Ключевые слова:
cульфат кальция, костные цементы, гранулы.
CREATION OF THE CALCIUM PHOSPHATE BONE CEMENT COMPOSITE CONTAINING CALCIUM SULPHATE GRANULES: THE INFLUENCE OF THE COMPOSITION, SIZE, POROSITY OF GRANULES ON THE PHASE COMPOSITION, MICROSTRUCTURE, MECHANICAL AND BIOLOGICAL PROPERTIES
D. R. Khayrutdinova, O. S. Antonova, M. A. Golgberg, S. V. Smirnov, P. A. Krochicheva
Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia Abstract
Composite cements based on the tricalcium phosphate (TCP) — calcium sulfate (CS) system were synthesized and investigated. The second component which were introduced into the cement paste (TCP) in the form of
