Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

И. В. Яцюк, аспирант кафедры «Порошковая металлургия и функциональные покрытия» (ПМиФП), эл. почта: ivansvoy@mail.ru

Научно-учебный центр СВС «МИСиС – ИСМАН», Москва, Россия:
Ю. С. Погожев, старший научный сотрудник НУЦ СВС, эл. почта: уspogozhev@mail.ru
А. В. Новиков, старший научный сотрудник НУЦ СВС, эл. почта: avnovikov@inbox.ru

Работа посвящена получению методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) высокотемпературной керамической композиции ZrB₂ — 25 % SiC. Для повышения тепловыделения при горении элементной реакционной смеси применена двустадийная схема ее приготовления с предварительным механическим активированием (МА) смеси Si + C в планетарной центробежной мельнице (ПЦМ) и последующим домешиванием порошков Zr и B в шаровой вращающейся мельнице (ШВМ). Установлено влияние начальной температуры СВС-процесса (T₀) на основные параметры горения. Зависимости T_г (T₀) и U_г (T₀) имеют линейный характер, что говорит о неизменной стадийности химических реакций образования диборида ZrB₂ и карбида SiC. Значение эффективной энергии активации процесса горения оказалось невелико, что характерно для систем, в которых определяющее влияние на кинетику горения оказывают процессы жидкофазного взаимодействия. Результаты динамической дифрактографии показали последовательное образование фазовых составляющих, когда в первую очередь из насыщенного бором эвтектического расплава Zr – Si образуется фаза ZrB₂, а SiC формируется с незначительным временным отрывом через 0,5 с в результате взаимодействия расплава Si c частицами сажи. Метод СВС успешно применен для получения как компактной, так и порошковой керамики. В обоих случаях структура продуктов синтеза двухфазная и состоит из гомогенно распределенных по объему зерен ZrB₂ и SiC, размер которых соизмерим и варьируется в пределах 1–5 мкм. Частицы порошка имеют округлую и полиэдрическую форму. Полученная керамика обладает низкой остаточной пористостью, высокой твердостью, модулем упругости, упругим восстановлением, а также теплопроводностью и может быть использована в качестве конструкционного материала для высокотемпературных применений.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы», Соглашение о предоставлении субсидии № 14.578.21.0227 (Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57817X0227).

1. Fahrenholtz W. G., Hilmas G. E., Talmy I. G., Zaykoski J. A. Refractory diborides of zirconium and hafnium. Journal of the American Ceramic Society. 2007. Soc. 90 (5). pp. 1347–1364.
2. Licheri R., Orrù R., Musa C., Cao G. Combination of SHS and SPS techniques for fabrication of fully dense ZrB₂ – ZrC – SiC composites. Materials Letters. 62 (3). 2008. pp. 432–435.
3. Neuman E. W., Hilmas G. E., Fahrenholtz W. G. Mechanical behavior of zirconium diboride-silicon carbide-boron carbide ceramics up to 2200 ^oC. Journal of the European Ceramic Society. 2015. Vol. 35. pp. 463–476.
4. Wuchina E., Opila E., Opeka M., Fahrenholtz W., Talmy I. UHTCs: Ultra-High Temperature Ceramic Materials for Extreme Environment Applications. Interface. 2007. 16 (4). pp. 30–36.
5. Pastor H. Metallic borides: preparation of solid bodies — sintering methods and properties of solid bodies, In: Matkovich VI, editor, Boron and Refractory Borides, New York : Springer-Verlag, 1977. pp. 454–493.
6. Wu W. W., Zhang G. J., Kan Y. M., Wang P. L., Vanmeense K., Vleugels J., Vander Biest O. Synthesis and microstructural features of ZrB₂ – SiC-based composites by reactive spark plasma sintering and reactive hot pressing. Scripta Materialia. 2007. Vol. 57. pp. 317–320.
7. Monteverde F., Scatteia L. Resistance to thermal shock and to oxidation of metal diborides-SiC ceramics for aerospace application. Journal of the American Ceramic Society. 2007. Vol. 90 (4). pp. 1130–1138.
8. Monteverde F. Beneficial effects of an ultra-fine a-SiC incorporation on the sinterability and mechanical properties of ZrB₂. Applied Physics A : Materials Science and Processing. 2006. Vol. 82. pp. 329–337.
9. Abraham T. Powder Market Update: Nanoceramic Applications Emerge. American Ceramic Society Bulletin. 2004. Vol. 83, No. 8. p. 23.
10. Zhou P., Hu P., Zhang X., Han W., Fan Y. R-curve behavior of laminated ZrB₂ – SiC ceramic with strong interfaces. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2015. Vol. 52. pp. 12–16.
11. Sciti D., Guicciardi S., Bellosi A. Properties of apressureless-sintered ZrB₂ – MoSi₂ ceramic composite. Journal of the American Ceramic Society. 2006. 7. pp. 2320–2322.
12. Iatsyuk I. V., Pogozhev Yu. S., Levashov E. A., Novikov A. V., Kochetov N. A., Kovalev D. Yu. Features of production and high-temperature oxidation of SHS-ceramics based on zirconium boride and zirconium silicide. Izvetsiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsionalnye pokrytiya. 2017. No. 1. pp. 29–41.
13. Silvestroni L., Landi E., Bejtka K., Chiodoni A., Sciti D. Oxidation behavior and kinetics of ZrB₂ containing SiC chopped fibers. Journal of the European Ceramic Society. 2015. Vol. 35. pp. 4377–4387.
14. Silvestroni L., Meriggi G., Sciti D. Oxidation behavior of ZrB₂ composites doped with various transition metal silicides. Corrosion Science. 2014. Vol. 83. pp. 281–291.
15. Makarov A. V., Bagarat'yan N. V., Zbezhneva S. G., Aleshko-Ozhevskaya L. A., Georgobiani T. P. Ionisation and fragmentation of B₂O₂ and BO molecules at the electronic bump. Vestnik Moskovskogo Universiteta. Seriya 2, Khimiya. 2000. Vol. 41, No. 4. pp. 227–230.
16. Eremina E. N., Kurbatkina V. V., Levashov E. A., Rogachev A. S., Kochetov N. A. Obtaining the composite MoB material by means of force SHS compacting with preliminary mechanical activation of Mo – 10 % B mixture. Chemistry for Sustainable Development. 2005. Vol. 13. pp. 197–204.
17. Marschall J., Pejakovic D., Fahrenholtz W. G., Hilmas G. E., Panerai F., Chazot O. Temperature Jump Phenomenon During Plasmatron Testing of ZrB₂ – SiC Ultrahigh-Temperature Ceramics. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2012. Vol. 26, No. 4. pp. 559–572.
18. Parthasarathy T. A., Rapp R. A., Opeka M., Cinibulk M. K. Modeling Oxidation Kinetics of SiC-Containing Refractory Diborides. Journal of the American Ceramic Society. 2012. Vol. 95, No. 1. pp. 338–349.
19. Lavrenko V. A., Dayatel V. D., Lugovaya E. S. Interaction of materials ZrB₂ – ZrSi₂ system with oxygen at high temperature. Poroshkovaya metallurgiya. 1982. 6 : 56–8.
20. Chamberlain A. L., Fahrenholtz W. G., Hilmas G. E., Ellerby D. E. Highstrength zirconium diboride-based ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 2004. Vol. 87 (6). pp. 1170–1172.
21. Monteverde F. The thermal stability in air of hot-pressed diboride matrix composites for uses at ultra-high temperatures. Corrosion Science. 2005. Vol. 47. pp. 2020–2033.
22. Pogozhev Yu. S., Iatsyuk I. V., Potanin A. Yu., Levashov E. A., Novikov A. V., Kochetov N. A., Kovalev D. Yu. The kinetics and mechanism of combusted Zr – B – Si mixtures and structural features of ceramics based on zirconium boride and silicide. Ceramics International. 2016. Vol. 42. pp. 16758–16765.
23. Levashov E. A., Pogozhev Yu. S., Potanin A. Yu., Kochetov N. A., Kovalev D. Yu., Shvyndina N. V., Sviridova T. A. Self-propagating hightemperature synthesis of advanced ceramics in the Mo – Si – B system: Kinetics and mechanism of combustion and structure formation. Ceramics International. 2014. Vol. 40. pp. 6541–6552.
24. Levashov E. A., Rogachev A. S., Kurbatkina V. V., Maksimov M., Yukhvid V. I. Promissory Materials and Processes of Self-Propagating High-Temperature Synthesis: A Tutorial. Moscow : Izdatelstvo MISIS, 2011.
25. Rogachev A. S., Mukasyan A. S. Combustion for Materials Synthesis. New York : Taylor and Francis, 2015.
26. Wu W. W., Zhang G. J., Kan Y. M., Wang P. L. Combustion synthesis of ZrB₂ – SiC composite powders ignited in air. Materials Letters. 2009. Vol. 63. pp. 1422–1424.
27. Hu P., Gui K., Hong W., Zhang X. Preparation of ZrB₂ – SiC ceramics by single-step and optimized two-step hot pressing using nanosized ZrB₂ powders. Materials Letters. 2017. Vol. 200. pp. 14–17.
28. Inouea R., Araia Yu., Kubota Yu. Oxidation behaviors of ZrB₂ – SiC binary composites above 2000 ^oC. Ceramics International. 2017. Vol. 43. pp. 8081–8088.
29. Borovinskaya I. P., Gromov A. A., Levashov E. A., Maksimov Y. M., Mukasyan A. S., Rogachev A. S. Concise encyclopedia of self-propagating high-temperature synthesis. History, Theory, Technology and Products. 2017. Elsevier Inc.
30. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research. 1992. pp. 1564–1583.
31. Pogozhev Yu. S., Potanin A. Yu., Levashov E. A., Kovalev D. Yu. The features of combustion and structure formation of ceramic materials in the Cr – Al – Si – B system. Ceramics International. 2014. Vol. 40. pp. 16299–16308.
32. Zimmermann J. W., Hilmas G. E., Fahrenholtz W. G., Dinwiddie R. B., Porter W. D., Wang H. Thermophysical Properties of ZrB₂ and ZrB₂ – SiC Ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 2008. Vol. 91(5). pp. 1405–1411.