Surface Transformation Of Ultrahigh-Temperature Ceramics HfB2-SiC-C(graphene) Under The Influence Of High-Speed Disossociated Nitrogen Jets

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

In order to study the promising potential of HfB2–30 vol % SiC ultrahigh-temperature ceramic materials modified with low amounts of reduced graphene oxide for the creation of aerospace equipment intended for use in N2-based atmospheres, the effect of high-speed dissociated nitrogen flow on it has been investigated. It has been established that under the chosen conditions of exposure during the stepwise increase of the anode power supply of plasma torch and, accordingly, the influencing heat flux, at certain parameters there is a sharp increase in the surface temperature from ~1750 to 2000-2100°C. At the same time, further increase of the heat flux has no obvious and proportional effect on the temperature of the sample surface, which may indicate its high catalyticity with respect to the reactions of surface recombination of atomic nitrogen. It is shown that the surface layers of the material undergo chemical transformation (removal of silicon-containing substances, formation of a new phase based on HfN), which is accompanied by a significant change in the microstructure (formation of dendrite-like structures), which affects the optical and catalytic characteristics of the surface.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

E. Simonenko

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119991

A. Kolesnikov

Ishlinskii Institute of Problems of Mechanics of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119526

A. Chaplygin

Ishlinskii Institute of Problems of Mechanics of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119526

A. Lysenkov

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119334

I. Nagornov

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119991

I. Lukomskii

Ishlinskii Institute of Problems of Mechanics of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119526

S. Galkin

Ishlinskii Institute of Problems of Mechanics of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119526

A. Mokrushin

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119991

N. Simonenko

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119991

N. Kuznetsov

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Ресей, Moscow, 119991

Әдебиет тізімі

  1. Simonenko E.P., Sevast’yanov D.V., Simonenko N.P. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2013. V. 58. № 14. P. 1669. https://doi.org/10.1134/S0036023613140039
  2. Zhao K., Ye F., Cheng L. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. № 16. P. 7241. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.07.046
  3. Thimmappa S.K., Golla B.R., VV B.P. // Silicon. 2022. V. 14. № 18. P. 12049. https://doi.org/10.1007/s12633-022-01945-8
  4. Nisar A., Hassan R., Agarwal A. et al. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 7. P. 8852. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.12.199
  5. Aguirre T.G., Lamm B.W., Cramer C.L. et al. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 6. P. 7344. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.11.314
  6. Sonber J.K., Murthy T.S.R.C., Majumdar S. et al. // Mater. Perform. Charact. 2021. V. 10. № 2. P. 20200133. https://doi.org/10.1520/MPC20200133
  7. Golla B.R., Mukhopadhyay A., Basu B. et al. // Prog. Mater. Sci. 2020. V. 111. P. 100651. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100651
  8. Verma V., Cheverikin V., Câmara Cozza R. // Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2020. V. 17. № 6. P. 2509. https://doi.org/10.1111/ijac.13567
  9. Ni D., Cheng Y., Zhang J. et al. // J. Adv. Ceram. 2022. V. 11. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0550-6
  10. Vorotilo S., Potanin A.Y., Iatsyuk I. V. et al. // Adv. Eng. Mater. 2018. V. 20. № 8. https://doi.org/10.1002/adem.201800200
  11. Savino R., Criscuolo L., Di Martino G.D. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2018. V. 38. № 8. P. 2937. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.043
  12. Jin X., Fan X., Lu C. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2018. V. 38. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.08.013
  13. Astapov A.N., Zhestkov B.E., Senyuev I.V. et al. // Methodology of studying high-velocity plasma flow impact on high-temperature materials, in: 2023: p. 210009. https://doi.org/10.1063/5.0109458
  14. Tang S., Hu C. // J. Mater. Sci. Technol. 2017. V. 33. № 2. P. 117. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2016.08.004
  15. Ye Z., Zeng Y., Xiong X. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. № 15. P. 6718. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.07.043
  16. Bianco G., Nisar A., Zhang C. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2022. V. 105. № 3. P. 1939. https://doi.org/10.1111/jace.18218
  17. Han T., Huang J., Sant G. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2022. V. 105. № 11. P. 6851. https://doi.org/10.1111/jace.18636
  18. Jin X., He R., Zhang X. et al. // J. Alloys Compd. 2013. V. 566. P. 125. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.03.067
  19. Jin H., Zhang S., Hao Y. et al. // Ceram. Int. 2023. V. 49. № 17. P. 28532. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.06.062
  20. Kováčová Z., Orovčík Ľ., Sedláček J. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. № 12. P. 3829. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.03.060
  21. Mungiguerra S., Cecere A., Savino R. et al. // Corros. Sci. 2021. V. 178. P. 109067. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.109067
  22. Squire T.H., Marschall J. // J. Eur. Ceram. Soc. 2010. V. 30. № 11. P. 2239. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.01.026
  23. Monteverde F., Savino R. // J. Am. Ceram. Soc. 2012. V. 95. № 7. P. 2282. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2012.05226.x
  24. Zhao L., Hou C., Jin X. et al. // Adv. Eng. Mater. 2023. V. 25. № 8. P. 2201313. https://doi.org/10.1002/adem.202201313
  25. Chen H., Xiang H., Dai F.-Z. et al. // J. Mater. Sci. Technol. 2019. V. 35. № 10. P. 2404. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.05.059
  26. Wang S., Chen H., Li Y. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. № 9. P. 3905. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.02.070
  27. Povolny S.J., Seidel G.D., Tallon C. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 8. P. 11502. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.006
  28. Nisar A., Zhang C., Boesl B. et al. // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 16. P. 25845. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.07.066
  29. Hoque M.S. Bin, Milich M., Akhanda M.S. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. № 11. P. 4581. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.03.065
  30. Popov O., Vishnyakov V. // Materialia. 2023. V. 32. P. 101890. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2023.101890
  31. Meng J., Fang H., Wang H. et al. // Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2023. V. 20. № 3. P. 1350. https://doi.org/10.1111/ijac.14336
  32. Bai Y., Wang P., Zhang B. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2022. V. 42. № 7. P. 3107. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.02.030
  33. Bannykh D., Utkin A., Baklanova N. // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2019. V. 84. P. 105023. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.105023
  34. Bannykh D., Utkin A., Baklanova N. // Ceram. Int. 2018. V. 44. № 11. P. 12451. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.04.035
  35. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Sevastyanov V.G. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 64. № 14. P. 1697. https://doi.org/10.1134/S0036023619140079
  36. Venkatesh V.S.S., Prasad K., Patnaik L. // Silicon. 2023. V. 15. № 7. P. 3339. https://doi.org/10.1007/s12633-022-02263-9
  37. Wei Y., Ye F., Cheng L. // J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. № 12. P. 5183. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.04.046
  38. Jyoti, Tiwari M., Singh A. et al. // Vacuum. 2023. V. 214. P. 112199. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112199
  39. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Sevastyanov V.G. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 14. P. 1772. https://doi.org/10.1134/S003602361814005X
  40. Binner J., Porter M., Baker B. et al. // Int. Mater. Rev. 2019. P. 1. https://doi.org/10.1080/09506608.2019.1652006
  41. Chen Y. // Ceram. – Silikaty. 2023. V. 67. № 3. P. 260. https://doi.org/10.13168/cs.2023.0026
  42. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2022. V. 42. № 1. P. 30. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.09.020
  43. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 9. P. 1405. https://doi.org/10.1134/S003602362109014X
  44. Marschall J., Pejakovic D., Fahrenholtz W.G. et al. // J. Thermophys. Heat Transf. 2012. V. 26. № 4. P. 559. https://doi.org/10.2514/1.T3798
  45. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 12. P. 2050. https://doi.org/10.1134/S0036023622601866
  46. Sevast’yanov V.G., Simonenko E.P., Gordeev A.N. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2013. V. 58. № 11. P. 1269. https://doi.org/10.1134/S003602361311017X
  47. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Gordeev A.N. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 4. P. 421. https://doi.org/10.1134/S0036023618040186
  48. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Gordeev A.N. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. № 4. P. 1093. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.11.023
  49. Sevastyanov V.G., Simonenko E.P., Gordeev A.N. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2014. V. 59. № 11. P. 1298. https://doi.org/10.1134/S0036023614110217
  50. Monteverde F., Savino R., De Stefano Fumo M. // Corros. Sci. 2011. V. 53. № 3. P. 922. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2010.11.018
  51. Justin J.-F., Julian-Jankowiak A., Guérineau V. et al. // CEAS Aeronaut. J. 2020. V. 11. № 3. P. 651. https://doi.org/10.1007/s13272-020-00445-y
  52. Parthasarathy T.A., Rapp R.A., Opeka M. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2012. V. 95. № 1. P. 338. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04927.x
  53. Cecere A., Savino R., Allouis C. et al. // Int. J. Heat Mass Transf. 2015. V. 91. P. 747. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.08.029
  54. Kolesnikov A.F., Kuznetsov N.T., Murav’eva T.I. et al. // Fluid Dyn. 2022. V. 57. № 4. P. 513. https://doi.org/10.1134/S0015462822040061
  55. Simonenko E.P., Kolesnikov A.F., Chaplygin A.V. et al. // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. № 17. P. 13634. https://doi.org/10.3390/ijms241713634
  56. Monteverde F., Savino R. // J. Eur. Ceram. Soc. 2007. V. 27. № 16. P. 4797. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.02.201
  57. Savino R., De Stefano Fumo M., Silvestroni L. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2008. V. 28. № 9. P. 1899. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.11.021
  58. Alosime E.M., Alsuhybani M.S., Almeataq M.S. // Materials (Basel). 2021. V. 14. № 2. P. 392. https://doi.org/10.3390/ma14020392
  59. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Kolesnikov A.F. et al. // Materials (Basel). 2022. V. 15. № 23. P. 8507. https://doi.org/10.3390/ma15238507
  60. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Papynov E.K. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1134/S0036023618010187
  61. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Gordeev A.N. et al. // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2019. V. 92. № 2. P. 386. https://doi.org/10.1007/s10971-019-05029-9
  62. Gordeev A. // VKI, RTO AVT/VKI Spec. Course Meas. Tech. High Enthalpy Plasma Flows 1999. https://apps.dtic.mil/sti/citations/ADP010736
  63. ASTM E422-05(2016). Standard Test Method for Measuring Heat Flux Using a Water-Cooled Calorimeter // ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016.
  64. Holleck H. // J. Nucl. Mater. 1967. V. 21. № 1. P. 14. https://doi.org/10.1016/0022-3115(67)90724-6
  65. Wyckoff R.W.G. // Cryst. Struct. 1963. V. 1. P. 85.
  66. Aigner K., Lengauer W., Rafaja D. et al. // J. Alloys Compd. 1994. V. 215. № 1–2. P. 121. https://doi.org/10.1016/0925-8388(94)90828-1
  67. Lengauer W., Binder S., Aigner K. et al. // J. Alloys Compd. 1995. V. 217. № 1. P. 137. https://doi.org/10.1016/0925-8388(94)01315-9
  68. Nakashima S., Harima H. // Phys. Status Solidi. 1997. V. 162. № 1. P. 39. https://doi.org/10.1002/1521-396X(199707)162:1<39: :AID-PSSA39>3.0.CO;2-L
  69. Ghosh D., Subhash G., Orlovskaya N. // Acta Mater. 2008. V. 56. № 18. P. 5345. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2008.07.031
  70. Guo J., Zhang L., Fujita T. et al. // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. № 6. P. 060102. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.060102
  71. Shapkin N.P., Papynov E.K., Shichalin O.O. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 5. P. 629. https://doi.org/10.1134/S0036023621050168
  72. Lin J., Jin H., Ge X. et al. // Mater. Today Commun. 2021. V. 28. P. 102540. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102540
  73. Zhan-Hui D., Li-Xia Q., Bin Y. et al. // Chinese Phys. Lett. 2010. V. 27. № 8. P. 086106. https://doi.org/10.1088/0256-307X/27/8/086106
  74. Gu Z., Hu C., Fan X. et al. // Acta Mater. 2014. V. 81. P. 315. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.08.040
  75. Wipf H., Klein M.V., Williams W.S. // Phys. Status Solidi. 1981. V. 108. № 2. P. 489. https://doi.org/10.1002/pssb.2221080225
  76. Fan S., Singh S., Xu X. et al. // npj Quantum Mater. 2022. V. 7. № 1. P. 32. https://doi.org/10.1038/s41535-022-00436-8
  77. Soignard E., McMillan P.F. // Chem. Mater. 2004. V. 16. № 18. P. 3533. https://doi.org/10.1021/cm049797+

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. Change in the average ceramic surface temperature (T, °C) depending on the time and parameters of the nitrogen plasma jet – the power of the anode supply (N, kW) and pressure in the pressure chamber of the plasma torch (P, Pa).

Жүктеу (303KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. Temperature distribution (°C) on the surface of the ceramic sample at specific test points, as well as temperature distribution curves along the sample radius.

Жүктеу (411KB)
Метадеректер
4. Fig. 3. Appearance of the front surface of the HfB2–SiC–C(graphene) sample after exposure to a supersonic flow of dissociated nitrogen (a) and an X-ray (b) of the marked sections (1) and (2), as well as the initial ceramics (3); an X-ray section in the range 2q = 34°-40° (c).

Жүктеу (247KB)
Метадеректер
5. Fig. 4. Raman spectra of the initial sample of HfB2-SiC–C(graphene) (black) and its surface after testing: in the central region (red) and on the periphery (blue).

Жүктеу (288KB)
Метадеректер
6. Fig. 5. Microstructure of the surface of the HfB2–SiC–C(graphene) sample after exposure to a supersonic flow of dissociated nitrogen in the central region (according to SEM data): detectors SE2 (a–b, e), ESB (d) and In-Lens (e).

Жүктеу (1MB)
Метадеректер
7. Fig. 6. Microstructure of the surface of the HfB2–SiC–C(graphene) sample after exposure to a supersonic flow of dissociated nitrogen at the periphery (according to SEM data): SE2 (a–b, e), ESB (d) and In-Lens (e–z) detectors.

Жүктеу (1MB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2024

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».