Розробка композиційної кераміки на основі графітоподібного нітриду бору з утворенням муліту і сіалону за умов реакційного гарячого пресування

7. Переселенцева Л. Н., Барщевская А.К., Томила Т.В., Мазная А.В. Исследование структуро- и фазообразования в процессе получения композитов системы В-N-Al-Si-O//Тезисы докладов международной конференции «Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике» 8-12 сентября 2003 г. - Киев: Академперіодика, 2003. - С. 242 (доповідь на конференції).

8. Вишняков Л.Р., Мазная А.В., Переселенцева Л.Н., Синайський Б.Н. Исследование структуры и высокотемпературной прочности композиционных материалов на основе нитрида бора // Труды международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях"- Киев: Академперіодика, 2004 г. - С. 232-233 (доповідь на конференції).

9. Вишняков Л.Р.. Мазная А.В., Синайський Б.Н., Верещака В.М. Особенности структуры и механизмы разрушения композиционных материалов на основе графитоподобного нитрида бора// Матеріали міжнародної науково-практичної конференциії “Структурна релаксація у твердих тілах“ 2006 г. - Вінниця: ДОВ «Вінниця», 2006. - С.98-100 (доповідь на конференції).

10. Вишняков Л.Р., Мазная А.В., Переселенцева Л.Н., Синайский Б.Н. Влияние алюмосиликатной фазы на механические свойства композиционных материалов на основе графитоподобного нитрида бора: Труды международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях» 18-22 сентября 2006 - Киев: Академперіодика, 2006 г - С. 214. (доповідь на конференції)

11. Вишняков Л.Р., Мазная А.В., Томила Т.В., Охрименко В.В. Влияние механической активации на процессы структуро- и фазообразования композитов на основе нитрида бора и алюмосиликатов: Тезисы докладов международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях",22-26 сентября 2008 - Киев: Академперіодика,2008 р. - С. 100 (доповідь на конференції).

АНОТАЦІЯ

Мазна О.В. Розробка композиційної кераміки на основі графітоподібного нітриду бору з утворенням муліту і сіалону за умов реакційного гарячого пресування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Інститут проблем матеріалознавства ім.. І.М. Францевича НАН України, м.Київ, 2009.

З метою отримання композиційних матеріалів на основі графітоподібного нітриду бору та утворюваних в процесі реакційного гарячого пресування нових фаз проведено системне дослідження фізико-хімічних процесів в системах BN-Al2O3-SiO2 та BN-Al2O3-SiO2-Si3N4. В роботі показано, що в системі BN-Al2O3-SiO2 у складі алюмосилікатів утворюється муліт, а в системі BN-Al2O3-SiO2-Si3N4 - певні фази сіалону (Х-фаза, вґ-SiAlON, z=1,31 - 3,6), утворення яких відбувається через стадію утворення муліту. Встановлено, що в результаті механо-хімічної обробки і подальшого гарячого пресування в композитах утворюється текстурована структура, в якій частки графітоподібного нітриду бору (наповнювач) зберігають характерну кристаломорфологію, а муліт або сіалон є зернограничними фазами, що виконують роль матриці.

Встановлено, що при реакційному гарячому пресуванні композиційної шихти завдяки присутності рідкої фази з'являється можливість зниження температури гарячого пресування композитів на 200-300 0С і тиску - на 10-20 МПа у порівнянні з відповідними параметрами процесу гарячого пресування графітоподібного нітриду бору.

Оцінка міцності та механізмів руйнування композиційної кераміки на основі нітриду бору в залежності від температури показала, що в діапазоні температур 20-1200 0С руйнування носить, головним чином, крихкий характер, при цьому розшарування нітриду бору проходить по базисним площинам (001); при температурах вище за 1200 0С міцність композитів визначається в'язким характером руйнування за рахунок матричних фаз, які сприяють отриманню високих показників міцності.

Склад і енергозберігаючі режими реакційного гарячого пресування композитів на основі нітриду бору (температура 1700-1800 0С, тиск 15-20 МПа) були покладені в основу дослідно-промислової технології отримання виробів з високою щільністю, підвищеними міцністю при високих температурах та експлуатаційними характеристиками. Вони рекомендуються для застосування в металургійних технологіях і високотемпературній техніці.

Ключові слова: графітоподібнй нітрид бору, композити, гаряче пресування, муліт, сіалон, високоміцна кераміка

Мазная А.В. Разработка композиционной керамики на основе графитоподобного нитрида бора с образованием муллита и сиалона в условиях реакционного горячего прессования. - Рукопись.

Диссертация на присвоение ученой степени кандидата наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Институт проблем материаловедения им.. И.Н. Францевича НАН Украины, г.Киев, 2009.

С целью получения композиционных материалов на основе графитоподобного нитрида бора и образующихся в процессе реакционного горячего прессования новых фаз проведено системное исследование физико-химических процессов в системах BN-Al2O3-SiO2 та BN-Al2O3-SiO2-Si3N4. В работе показано, что в системе BN-Al2O3-SiO2 в составе алюмосиликатов образуется муллит, а в системе BN-Al2O3-SiO2-Si3N4 - фазы сиалона (Х-фаза, вґ-SiAlON, z=1,31 - 3,6), образование которых происходит через стадию образования муллита. Установлено, что в результате механо-химической обработки и дальнейшего горячего прессования в композитах образуется текстурированная структура, в которой частицы графитоподобного нитрида бора (наполнитель) сохраняют характерную кристалломорфологию, а муллит или сиалон является зернограничными фазами, которые выполняют роль матрицы.

Установлено, что при реакционном горячем прессовании композиционной шихты, благодаря присутствию жидкой фазы, появляется возможность снижения температуры горячего прессования композитов на 200-300 0С и давления - на 10-20 МПа сравнительно с соответствующими параметрами процесса горячего прессования графитоподобного нитрида бора.

Показано, что в зависимости от условий горячего прессования образующиеся матричные фазы изменяют свой состав и могут содержать муллит, сиалон, кристобалит, нитрид кремния или их смеси. На примере образцов системы BN-Al2O3-SiO2-Si3N4 было установлено, что взаимодействие начинается с образования муллита. Вместе с тем при температуре 1400 0С происходит также взаимодействие нитрида кремния с оксидами, которые входят в состав шихты, с образованием оксинитрида Si2N2O. Повышение температуры горячего прессования до 1500 0С увеличивает содержание муллита и Si2N2O. Эти процессы отвечают увеличению усадки при горячем прессовании. При более высокой температуре - 1700 0С - в системе наблюдается образование X-фазы состава Si3Al6O12N2 и фазы сиалона Si3Al3O4,5-XN5-x, колличество муллита и кварца при этом уменшается, а при температуре горячего прессования 1800 0С образуется ряд сиалоновых фаз: Si4,69Al1,31O1,31N6,69 (вґ-SiAlON, z=1,31); Si3Al3O3N5 (вґ-SiAlON, z=3,6); Si3Al3O4,5XN5-x ; Si3Al6O12N2 (X-фаза). Таким образом, в системі BN-Al2O3-SiO2-Si3N4, синтез сиалона происходит через стадию образования муллита.

Оценка прочности и механизмов разрушения композиционной керамики на основе нитрида бора в зависимости от температуры показала, что в диапазоне температур 20-1200 0С разрушение носит, главным образом, хрупкий характер, при этом расслоение нитрида бора проходит по базисным плоскостям (001); при температурах выше 1200 0С прочность композитов определяется вязким характером разрушения за счет матричных фаз, которые способствуют получению высоких показателей прочности. Изменение механизма разрушения полученных композитов в зависимости от температуры испытаний подтверждают и показатели трещиностойкости. На температурной зависимости К1с экспериментально установлено наличие максимума при температуре 1200-1300 0С.

Оптимизация параметров горячего прессования композитов, показала что прочность при 1200 0С для композитов BN-муллит составила 100-120 МПа, а для композитов BN- сиалон - 150-180 МПа.

Состав и энергосберегающие режимы реакционного горячего прессования композитов на основе нитрида бора (температура 1700-1800 0С, давление 15-20 МПа) были положены в основу опытно-промышленной технологии получения крупногабаритных изделий размером 180х180х180 мм с высокой плотностью, повышенными прочностью при высоких температурах и эксплуатационными характеристиками. Из полученной керамики путем механической обработки (точения и фрезерования) возможно изготовление деталей сложной формы. Разработанные композиционные материалы рекомендуются для использования в металлургических технологиях и высокотемпературной технике.

Ключевые слова: графитоподобный нитрид бора, композиты, горячее прессование, муллит, сиалон, высокопрочная керамика

Mazna O.V. Development of hexagonal boron nitride-based composite ceramics under conditions of reaction sintering that yields mullite and sialon. - Manuscript.

Thesis to gain the degree of Philosophy Doctor, speciality 05.02.01 - materials science. - Frantsevich Institute for Problems of Materials Science of NAS of Ukraine, Kyiv, 2009.

To obtain composite materials based on hexagonal boron nitride and new phases as formed during the reaction of hot pressing, a systematic study of physical/chemical processes that occur in the BN-Al2O3 -SiO2 and BN-Al2O3-SiO2-Si3N4 systems has been conducted. It was found in the work that the BN-Al2O3 -SiO2 system forms mullite in its aluminosilicates, and the BN-Al2O3-SiO2-Si3N4 system yields some phases of sialon (X-phase, вґ-SiAlON, z=1,31 - 3,6), formation of which occurs through the stage of mullite formation. Mechanical and chemical treatment followed with hot pressing was found to produce a textured structure, particles of hexagonal boron nitride (filler) of which retain their characteristic crystal morphology, while mullite and sialon are grain boundary phases playing the role of matrix.

Reaction hot pressing of a composite mixture was shown to provide the opportunity of a 200 to 300 C temperature reduction and a 10 to 20 MPa pressure lowering when hot pressing of composites due to the presence of liquid phases as compared to the corresponding values of the hot pressing process of hexagonal boron nitride.

As assessment of strength and mechanical fracture of boron nitride based composite ceramics in relation to temperature has shown, within the 20 to 1200 C range, fracturing is mainly of brittle nature and boron nitride reveals a weakening of interlaminar strength through basis planes (001); with temperature increase above 1200 C, the composite strength is determined by the ductile fracture behavior due to matrix phases that contribute increased values of strength.

Compositions and energy saving conditions of reaction hot sintering composites based on boron nitride (temperature 1700-1800 C, pressure 15-20 MPa) have been implemented into the pilot production of increased density, improved high temperature strength and performance products. They can be suggested for use in metallurgy processes and high temperature equipment.

Key words: hexagonal boron nitride, composites, hot pressing, sialon, mullite, high strength ceramica

Размещено на Allbest.ru