High Temperature Mass Spectrometric Study of Vaporization of The Oxycarbide Ceramics Based on the MAX-Phases

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In the present study, the vaporization processes of the carbide materials with the Ti2SiC, Ti3SiC2, Ti2AlC, Ti3AlC2, Zr2AlC, Zr3AlC2 chemical compositions containing the MAX-phases as well as the oxycarbide systems based on these materials with the addition of hafnia were examined by the Knudsen effusion mass spectrometric method up to the temperature 2200 K. It was established that the main vapor species over the samples with the Ti2AlC, Ti3AlC2, Zr2AlC, and Zr3AlC2 compositions at the temperature 1500 K was atomic aluminum. The samples containing silicon were less volatile compared to the carbide materials with aluminum and transferred into vapor at temperatures exceeding 1900 K to form gaseous Si, Si2, SiC2, and Si2C. The addition of hafnia to the carbides under study led to the formation of oxygen-containing vapor species, particularly Al2O and SiO, and to decrease in the total vapor pressure over the systems formed. It was shown that the samples of the oxycarbide Ti2SiC-HfO2 system were the least volatile materials, and, among the oxycarbide systems containing aluminum, the lowest volatility was observed for the samples of the Zr2AlC-HfO2 system in the case of the hafnia content up to 10 mol. % and of the Ti2AlC-HfO2 system for the higher HfO2 concentration.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. A. Vorozhtsov

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: v.vorozhcov@rambler.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

V. L. Stolyarova

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences; Saint Petersburg State University

Email: v.vorozhcov@rambler.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

S. I. Lopatin

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences; Saint Petersburg State University

Email: v.vorozhcov@rambler.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

A. L. Shilov

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: v.vorozhcov@rambler.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Barsoum M.W. // Prog. Solid State Chem. 2000. V. 28. № 1–4. P. 201. https://doi.org/10.1016/S0079-6786(00)00006-6
  2. Radovic M., Barsoum M.W. // Am. Ceram. Soc. Bull. 2013. V. 92. № 3. P. 20. https://bulletin-archive.ceramics.org/is-cacheable/1605850406926/ucujko.pdf
  3. Gonzalez-Julian J. // J. Am. Ceram. Soc. 2021. V. 104. № 2. P. 659. https://doi.org/10.1111/jace.17544
  4. Kovalev D.Y., Luginina M.A., Vadchenko S.G. // Russ. J. Inorg. Chem. 2017. V. 62. № 12. P. 1638. https://doi.org/10.1134/S0036023617120117
  5. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 5. P. 705. https://doi.org/10.1134/S0036023622050187
  6. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 11. P. 1838. https://doi.org/10.1134/S0036023622601222
  7. Hoffman E.N., Vinson D.W., Sindelar R.L. et al. // Nucl. Eng. Des. 2012. V. 244. P. 17. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2011.12.009
  8. Lee W.E., Giorgi E., Harrison R. et al. // Ultra-High Temp. Ceram. Mater. Extrem. Environ. Appl. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2014. P. 391. https://doi.org/10.1002/9781118700853.ch15
  9. Galvin T., Hyatt N.C., Rainforth W.M. et al. // Nucl. Mater. Energy. 2020. V. 22. P. 100725. https://doi.org/10.1016/j.nme.2020.100725
  10. Альмяшев В.И., Столярова В.Л., Крушинов Е.В. и др. // Технологии обеспечения жизненного цикла ядерных энергетических установок. 2023. Т. 31. № 1. С. 60. https://doi.org/10.52069/2414-5726_2023_1_31_60
  11. Wen Z., Tang Z., Meng H. et al. // Corros. Sci. 2022. V. 207. P. 110574. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110574
  12. Казенас Е.К., Цветков Ю.В. // Испарение карбидов. М.: Красанд, 2017. https://www.rfbr.ru/rffi/portal/books/o_2053121
  13. Rinehart G.H., Behrens R.G. // J. Chem. Thermodyn. 1980. V. 12. № 3. P. 205. https://doi.org/10.1016/0021-9614(80)90038-5
  14. Drowart J., De Maria G., Inghram M.G. // J. Chem. Phys. 1958. V. 29. № 5. P. 1015. https://doi.org/10.1063/1.1744646
  15. Cao Z., Xie W., Jung I.H. et al. // Metall. Mater. Trans. B: Process Metall. Mater. Process. Sci. 2015. V. 46. № 4. P. 1782. https://doi.org/10.1007/s11663-015-0344-8
  16. Stearns C.A., Kohl F.J. // Mass spectrometric determination of the dissociation energies of titanium dicarbide and titanium tetracarbide. NASA Technical Note D-5653. Cleveland, 1970.
  17. Li Y.L., Ishigaki T. // Mater. Sci. Eng. A. 2003. V. 345. № 1–2. P. 301. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00506-3
  18. Stearns C.A., Kohl F.J. // High-temperature mass spectrometry – Vaporization of group 4-B metal carbides. NASA Technical Note D-7613, Cleveland, 1974. https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19740012680 (accessed March 24, 2020)
  19. Keast V.J., Harris S., Smith D.K. // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. № 21. P. 214113. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.214113
  20. Sauceda D., Singh P., Falkowski A.R. et al. // npj Comput. Mater. 2021. V. 7. № 1. P. 6. https://doi.org/10.1038/s41524-020-00464-7
  21. Perevislov S.N., Sokolova T.V., Stolyarova V.L. // Mater. Chem. Phys. 2021. V. 267. P. 124625. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124625
  22. Perevislov S.N., Semenova V.V., Lysenkov A.S. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 8. P. 1100. https://doi.org/10.1134/S0036023621080210
  23. Perevislov S.N., Arlashkin I.E., Lysenkov A.S. // Refract. Ind. Ceram. 2022. V. 63. № 2. P. 215. https://doi.org/10.1007/S11148-022-00709-6
  24. Арлашкин И.Е., Перевислов С.Н. // Материаловедение. 2023. № 6. С. 16. https://doi.org/10.31044/1684-579X-2023-0-6-16-21
  25. Arlashkin I.E., Perevislov S.N., Stolyarova V.L. // Russ. J. Gen. Chem. 2023. V. 93. № 4. P. 881. https://doi.org/10.1134/S107036322304014X
  26. Perevislov S.N., Arlashkin I.E., Stolyarova V.L. // J. Am. Ceram. Soc. 2023. V. 107. P. 488. https://doi.org/10.1111/jace.19419
  27. Hilpert K. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 1991. V. 5. № 4. P. 175. https://doi.org/10.1002/rcm.1290050408
  28. Drowart J., Chatillon C., Hastie J. et al. // Pure Appl. Chem. 2005. V. 77. № 4. P. 683. https://doi.org/10.1351/pac200577040683
  29. Lopatin S.I., Shugurov S.M., Tyurnina Z.G. et al. // Glass Phys. Chem. 2021. V. 47. № 1. P. 38. https://doi.org/10.1134/S1087659621010077
  30. Lopatin S.I. // Glass Phys. Chem. 2022. V. 48. № 2. P. 117. https://doi.org/10.1134/S1087659622020055
  31. Paule R.C., Mandel J. // Pure Appl. Chem. 1972. V. 31. № 3. P. 371. https://doi.org/10.1351/pac197231030371
  32. Mann J.B. // J. Chem. Phys. 1967. V. 46. № 5. P. 1646. https://doi.org/10.1063/1.1840917
  33. Meyer R.T., Lynch A.W. // High Temp. Sci. 1973. V. 5. № 3. P. 192.
  34. Lias S.G., Bartmess J.E., Liebman J.F. et al. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1988. V. 17. Suppl. 1. P. 861.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Temperature dependences of partial pressures of Al vapor over carbide materials of composition Ti2AlC (1), Ti3AlC2 (2), Zr2AlC (3), and Zr3AlC2 (4) determined in the present work by the Knudsen mass spectrometric effusion method, when compared with the corresponding data for Al4C3 (5) according to equation (2) [13].

Download (105KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Temperature dependences of partial vapor pressures of Si (1, 5), Si2 (2, 6), SiC2 (3, 7), and Si2C (4, 8) over samples 1 and 2 (Table 1) of chemical composition Ti2SiC (1-4) and Ti3SiC2 (5-8) according to equations (16)-(23) determined in the present work by the Knudsen mass spectrometric effusion method.

Download (130KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Total vapor pressure as the sum of partial pressures of Al and Al2O over samples 13, 16, 19, 22 (Table 1) containing, mol%: 90Ti2AlC-10HfO2 (1); 90Ti3AlC2-10HfO2 (2); 90Zr2AlC-10HfO2 (3); 90Zr3AlC2-10HfO2 (4).

Download (70KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Total vapor pressure as the sum of partial pressures of Al and Al2O over samples 14, 17, 20, 23 (Table 1) containing, mol%: 50Ti2AlC-50HfO2 (■, 1); 50Ti3AlC2-50HfO2 (●, 2); 50Zr2AlC-50HfO2 (▲, 3); 50Zr3AlC2-50HfO2 (▼, 4).

Download (72KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Total vapor pressure as the sum of partial pressures of Al and Al2O over samples 15, 18, 21, 24 (Table 1) containing, mol%: 20Ti2AlC-80HfO2 (1); 20Ti3AlC2-80HfO2 (2); 20Zr2AlC-80HfO2 (3); 20Zr3AlC2-80HfO2 (4).

Download (70KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».