Влияние температуры обжига и концентрации добавки бора на свойства материалов из карбида кремния полученных методом искрового плазменного спекания Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК: 666.3-13; 666.3-18. Феоктистов А.В., Попова Н.А.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЖИГА И КОНЦЕНТРАЦИИ ДОБАВКИ БОРА НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ИЗ КАРБИДА КРЕМНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ

Феоктистов Алексей Владимирович, магистрант второго года обучения кафедры Химической технологии

керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва;

[email protected]

Попова Нелля Александровна, старший преподаватель кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20

В настоящей работе были получены материалы из карбида кремния субмикронного размера с добавкой бора в количествах 3, 5, 7 и 10 мас. % методом искрового плазменного спекания. Для полученных материалов были измерены открытая пористость, прочность при изгибе и для материалов с нулевой открытой пористостью микротвёрдость. Полученные данные свидетельствуют о возможности получения материалов из карбида кремния с нулевой открытой пористостью при температуре 1800 оС. Ключевые слова: карбид кремни; аморфный бор; искровое плазменное спекание.

EFFECT OF SINTERING TEMPERATURE AND CONCENTRATION OF AMORPHOUS BORON ON PROPERTIES OF SILICON CARBIDE MATERIALS MADE BY SPARK PLASMA SINTERING

In the present work, materials were made from silicon carbide with addition of boron in amounts of 3, 5, 7 and 10 wt. %. by spark plasma sintering. For materials obtained porosity, flexural strength and Vickers hardness. The obtained data indicate the possibility of obtaining materials from silicon carbide with zero open porosity at a temperature of 1800 оС by spark plasma sintering.

Keywords: silicon carbide; amorphous boron; spark plasma sintering.

Карбид кремния обладает высокой температурой плавления, низким коэффициентом расширения и высокой теплопроводностью, что делает его перспективным для получения материалов с повышенными рабочими температурами. Спекание материалов из карбида кремния до нулевой пористости традиционно требует высоких энергозатрат. Решение настоящей проблемы ведется несколькими основными путями: использование металлических добавок, использование добавок эвтектического состава, применение реакционного спекания и использование добавок увеличивающих диффузионную активность при спекании [1].

Использование добавок металлов, добавок эвтектического состава и остаточный кремний при реакционном спекании сильно снижают высокотемпературные характеристики получаемых материалов. Таким образом, для создания плотных материалов с повышенными рабочими температурами перспективно применение добавок, образующих твердые растворы на основе карбиде кремния и увеличивающие коэффициент диффузии. Этим требованиям отвечают добавки акцепторного типа - бор, галлий, алюминий и др. Проблемой акцепторных добавок является сильный приповерхностный характер их растворения[2], что вызывает необходимость использования порошков субмикронного размера.

Для достижения меньшей рекристаллизации и получение материалов с высокими физико-механическими свойствами перспективен метод искрового плазменного спекания, уменьшающий

время получения материала с нулевой открытой пористостью до нескольких минут[3].

В данной работе было изучено влияние концентрации аморфного бора и температуры обжига на пористость, прочность при изгибе и микротвёрдость полученных материалов.

Для спекания использовали механическую смесь, карбида кремния ^50=0,8 мкм) с аморфным бором (30-60нм) с концентрациями 3, 5, 7 и 10 мас % полученную смешением в мельнице планетарного типа в течение 2 часов. Искровое плазменное спекание проводили в среде аргона при температурах 1700 оС и 1800 оС для образцов составов содержащих 3, 5 и 7 мас. % бора, и от 1700 оС до 1850 оС с шагом 50 оС для образцов состава содержащего 10 мас. % бора. Скорость нагрева 600 оС/мин с выдержкой при максимальной температуре 6 минут. Давление прессования подавалось ступенчато от 5 кН при комнатной температуре до 20 кН при температуре обжига.

Для полученных материалов измерялась открытая пористость методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 20018 с использованием в качестве пропитывающей жидкости керосина. Прочность полученных материалов определялась при испытании на прочность при трёхточечном изгибе на разрывной машине с максимальной нагрузкой 50т по ГОСТ 20019. Микротвёрдость определялась на твердомере по ГОСТ 9450 при нагрузке 500г.

Результаты по определению открытой пористости представлены на рисунке 1, как функция от концентрации бора.

TfcttCHHDie порнстоспшятерш.поп Н|'|: ,:и\п['-ь:н\ концентрациях аморфного Jopa

-ЙООгрАД.

-1700 град.

: 4 Ь К 10 12

Концентрация добавки мас.% Рисунок 1. Открытая пористость как функция от концентрации аморфного бора

как

аналогичная

Прочность при изгибе предыдущей функция представлена на рис. 2.

прочность при различных температурах в заик от концентрации при вр«кни выдержки в б ril'l'VI

<5 400

í?0

soo

:?o

8 200

£ HO

£ (Of!

H u SO

is 0

1

с

___ —1500Фra

__

2 4 6 8 10 12

Концентрация добавь бора» Н Рисунок 2. Прочность при различных температурах как функция от концентрации бора

Результаты по определению открытой пористости и прочности материалов составов содержащих 10 мас. % бора как функция от температуры представлены на рис. 3 и рис. 4.

Изменение открытой пористости с увеличением температуры обжига для состава 5Ю-10%В

■51 «50

1700

1750

1800

1850

1900

ё Температура обжига, град

Рисунок 3. Влияние температуры обжига на пористость изделий состава SiC-10%B

Влияние температуры обжига на прочность материалов состава SiC-10%

400 п 350 300 250 200 150 100 50 0

1650

1850

1900

1700 1750 1800

к Температура обжига, град

Рисунок 4. Прочность материалов состава SiC-10%B как функция от температуры

Для материалов с нулевой открытой пористостью была измерена микротвёрдость при

нагрузке 500г. Для материала, содержащего 10 мас. % бора при температуре обжига 1800оС значение микротвёрдости составило 28,9±0,6 ГПа, а для того же состава с температурой обжига 1850оС данное значение составило 27,2±0,8 ГПа.

Для всей области составов при температуре обжига 1700оС пористость оказалось высокой (~20%), что свидетельствует о том, что данная температура не позволяет получать плотные материалы из используемых порошков. При температуре обжига 1800оС материалы, содержащие 3 и 5 мас. % бора также показали высокие значения открытой пористости, при этом значения открытой пористости для состава, содержащего 7 мас. % бора достигла значения в 5,2%, а для состава, содержащего 10 мас. % бора удалось достичь нулевой открытой пористости. Это свидетельствует о том, что при данной температуре получение материалов с нулевой открытой пористостью возможно для составов, содержащих большее количество спекающей добавки (10% бора).

В исследуемом интервале температур (1700 оС -1850 оС) для состава SiC-10%B нулевую открытую пористость удалось достичь при 1800 оС и 1850 оС. При температуре 1750 оС пористость составила (~15%), что указывает на то, что данная температура не позволяет получать плотные материалы.

Прочность при изгибе материалов, полученных при 1700оС и при 1800оС с содержанием добавки бора в 3, 5 и 7 мас. % кореллирует друг с другом. Значение прочности обусловлено высокой протяженностью границ и сохранением исходного распределения частиц по размерам при имеющейся открытой пористости. Значение прочности для состава, содержащего 10% бора в исследуемом интервале температур растёт и достигает максимального значения (~350МПа) при температуре обжига 1800 оС, что обусловлено нулевой открытой пористостью. При температуре обжига 1850 оС наблюдается падение прочности (до ~300МПа), обусловленное рекристаллизацией зерен, что подтверждается падающим значением микротвёрдости (от 28,9ГПа до 27,2ГПа).

В исследуемом интервале концентраций бора (от 3 до 10 мас.%) при выбранных температурах материал с нулевой открытой пористостью удалось получить только при содержании бора в 10 мас. % при температуре обжига 1800 оС. Для материалов, содержащих 10 мас. % бора при увеличении температуры обжига до 1850 оС показывает уменьшение прочности (от ~350МПа до ~300Мпа) и микротвёрдости (от 28,9ГПа до 27,2ГПа), что обуславливается рекристаллизацией при сохранение нулевой открытой пористости.

Список литературы

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

2.Агеев О.А. Карбид кремния: технология, свойства, применение / Агеев О.А., Беляев А.Е., Болтовец Н.С. Харьков: «ИСМА», 2010. с. 532;

3. Biswas K. Solid State Sintering of SiC-Ceramics// Materials Science Forum. 2009 Vol. 624. p. 71-89