Регистрация / Вход
Прислать материал

Закономерности горения механически активированных смесей Si–C–B и структурообразование композиционной керамики на основе карбида кремния

ФИО: Звягинцева Н.В.

Направление: Металлургия

Научный руководитель: к.т.н. Погожев Юрий Сергеевич

Институт: Институт экотехнологий и инжиниринга

Кафедра: Кафедра Порошковой металлургии и функциональных покрытий

Академическая группа: МФП-13-2

Карбид кремния (SiC) является важным функциональным материалом с широким спектром применения. Долговечность SiC материалов может быть улучшена добавлением B в SiC-матрицу. Его окисление ведет к образованию пленки из боросиликатного стекла (SiO2–B2O3) с низкой Тпл, обеспечивающей заживление трещин при Траб = 500÷1300°С. Также в последнее время большое внимание уделяется получению аморфных Si–B–C–(N) покрытий в связи с их высокотемпературной стабильностью (до 1800°С в инертной атмосфере). Такие покрытия наносят магнетронным распылением элементных Si–B–C мишеней в атмосфере смеси N2/Ar. Мишень может быть получена методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Однако реакция прямого синтеза SiC (Si + C = SiC) обладает недостаточно высокой экзотермичностью (–∆H0298 = 73 кДж/моль). Для реализации СВС в таких смесях применяют метод механической активации (МА).

Целью работы являлось: 1) исследование возможности осуществления СВС в системе Si–C–B при использовании МА смеси; 2) анализ стадийности структурных превращений в волне горения при получении КМ на основе SiC.

Для проведения экспериментальных исследований была выбрана смесь состава 90%вес(Si+С) + 10%вес(4B+C). Методом рентгеноструктурного анализа было выявлено, что МА приводит к росту запасенной энергии из-за накопления микроструктурных и поверхностных дефектов. Микроструктурные исследования при этом демонстрируют измельчение частиц кремния и графита до 6–8 раз после МА в течение 20 минут.

Для определения оптимального времени МА смеси были измерены зависимости скорости горения (Uг) и температуры горения (Тг) от времени. МА в течение 20 минут позволяет получить стационарный режим горения, однако дальнейшее его увеличение приводит к понижению Uг.

Исследования макрокинетики горения смеси позволили определить характер зависимости Uг и Тг от начальной температуры смеси (Т0). Показано, что увеличение Т0 приводит к их возрастанию и не влияет на фазовый состав продукта. По результатам горения была рассчитана эффективная энергия активации (Еэф).

Методом динамической рентгенографии (ДРА) установлена стадийность структурных превращений в волне горения. Выявлено, что характерное время плавления кремния составляет ~ 1,5 с, а реакции образования SiC – менее 0,5 с.

По технологии горячего прессования порошка конечного СВС-продукта удалось получить компактную керамику на основе SiC с высокими показателями удельной плотности и твердости.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по программе повышения конкурентоспособности НИТУ «МИСиС» среди ведущих мировых научно-образовательных центров на 2013–2020 гг (проект No. К2-2014-012).