Исследование структурных характеристик керамических реакционно-спеченных материалов на основе SiC–MoSi2 с применением аналитических подходов цифрового материаловедения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Аннотация: в работе получены высокотемпературные композиционные материалы на основе реакционно спеченного карбида кремния, модифицированного молибденовой связкой. Определена микроструктура, фазовый состав и физико-механические свойства сформированных композитов. Экспериментально показано, что молибден в процессе реакционного спекания образует с расплавом кремния устойчивую фазу MoSi2 в объеме спекаемого керамического материала. Показано, что численные параметры лакунарности и хаотичности позволяют оценивать однородность структуры материала в прямой связи с варьированием технологических режимов синтеза керамик. Полученные композиты характеризуются плотностью порядка 3.02–3.16 г/см3 и прочностью при изгибе порядка 180–220 МПа.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. А. Марков

НИЦ «Курчатовский институт»

Email: barca0688@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. Н. Николаев

НИЦ «Курчатовский институт»

Email: barca0688@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. Г. Чекуряев

НИЦ «Курчатовский институт»; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: barca0688@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

М. М. Сычев

НИЦ «Курчатовский институт»; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: barca0688@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Д. А. Дюскина

НИЦ «Курчатовский институт»

Email: barca0688@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. Д. Быкова

НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей»

Автор, ответственный за переписку.
Email: barca0688@mail.ru
Россия, 191015, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49

А. Н. Беляков

НИЦ «Курчатовский институт»

Email: barca0688@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Орданьян С. С., Вихман С. В., Ларенцева С. А., Смирнов В. В. Строение разреза SiC–MoSi2 в системе Mo-Si-C // Огнеупоры и техническая керамика. 2006. № 11. С. 2–5.
  2. Petrovic J. J. MoSi2-based high-temperature structural silicides // Mrs Bulletin. 1993. Т. 18. № 7. С. 35–41.
  3. Lysenkov A. S., Kim K. A., Titov D. D., Frolova M. G., Kargin Y. F., Petrakova N. V., Melnikova I. S. Composite material Si3N4/SiC with calcium aluminate additive // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2018. V. 1134. № 1. P. 012036. doi: 10.1088/1742-6596/1134/1/012036.
  4. Perevislov S. N., Lysenkov A. S., Titov D. D., Omkovich M. V., Nesmelov D. D., Markov M. A. Materials based on boron carbide obtained by reaction sintering // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2019. V. 525. № 1. P. 012074. doi: 10.1088/1757-899X/525/1/012074.
  5. Perevislov S. N., Tomkovich M. V., Lysenkov A. S. Silicon carbide liquid-phase sintering with various activating agents // Refractories and Industrial Ceramics. 2019. V. 59. P. 522–527. doi: 10.1007/s11148-019-00265-6.
  6. Markov M. A., Krasikov A. V., Kravchenko I. N., Erofeev M. N., Bykova A. D., Belyakov A. N. Development of novel ceramic construction materials based on silicon carbide for products of complex geometry // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2021. V. 50. № 2. P. 158–163. doi: 10.3103/S1052618821020096.
  7. Shevchenko V. Y., Kovalchuk M. V., Oryshchenko A. S., Perevislov S. N. New chemical technologies based on Turing reaction–diffusion processes // Chemistry. 2021. V. 496. № 2. P. 28–31. doi: 10.1134/S0012500821020038.
  8. Shevchenko V. Y., Perevislov S. N., Ugolkov V. L. Physicochemical interaction processes in the carbon (diamond)–silicon system // Glass Physics and Chemistry. 2021. V. 47. № 3. Р. 197–208. doi: 10.1134/S108765962103010X.
  9. Shevchenko V. Y., Perevislov S. N. Reaction–diffusion mechanism of synthesis in the diamond–silicon carbide system // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021. V. 66. № 8. Р. 1107–1114. doi: 10.1134/S003602362108026X.
  10. Carter D. H., Petrovic J. J., Honnel R. E., Gibbs W. S. SiC‐MoSi2 Composites // Ceramic Engineering and Science Proceedings. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons Inc. 1989. V. 10, № 9–10. P. 1121–1129.
  11. Kim D. P. Preparation of electrically conducting SiC/MoSi2 composites from metal mixtures of preceramic polymer // Materials research bulletin. 2001. V. 36. № 13–14. С. 2497–2505.
  12. Pan J., Surappa M. K., Saravanan, R. A., Liu B. W., Yang D. W. Fabrication and characterization of SiC/MoSi2 composites // Materials Science and Engineering: A. 1998. V. 244. № 2. С. 191–198. doi: 10.1016/S0921-5093(97)00553-4.
  13. Peng K., Yi M., Ran L., Ge Y. Reactive hot pressing of SiC/MoSi2 nanocomposites // Journal of the American Ceramic Society. 2007. Т. 90. № 11. С. 3708–3711. doi: 10.1111/j.1551-2916.2007.01971.x.
  14. Markov M. A., Ordanyan S. S., Vikhman S. V., Perevislov S. N., Krasikov A. V., Bykova A. D., Staritsyn M. V. Preparation of MoSi2–SiC–ZrB2 structural ceramics by free sintering // Refractories and Industrial Ceramics. 2019. V. 60. № 4. P. 385–388. doi: 10.1007/s11148-019-00372-4
  15. Belyakov A. N., Markov M. A., Kravchenko I. N., Kashtanov A. D., Dyuskina, D. A., Bykova, A. D., Chekuryaev A. G. Contemporary materials and their application in the construction of special engineering high-temperature objects // Refractories and Industrial Ceramics. 2024. V. 64. № 3. P. 256–264. doi: 10.1007/s11148-024-00835-3.
  16. Chen F., Xu J., Hou Z. In situ pressureless sintering of SiC/MoSi2 composites // Ceramics International. 2012. Т. 38. № 4. С. 2767–2772. doi: 10.1016/j.ceramint.2011.11.046.
  17. Han X., Wang Y., Xiong X., Li H., Chen Z., Sun W. Microstructure, sintering behavior and mechanical properties of SiC/MoSi2 composites by spark plasma sintering // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018. Т. 28. № 5. С. 957–965. doi: 10.1016/S1003-6326(18)64730-2.
  18. He Z., Li H., Shi X., Fu Q., Wu H. Formation mechanism and oxidation behavior of MoSi2–SiC protective coating prepared by chemical vapor infiltration/reaction // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Т. 23. . 7. С. 2100–2106. doi: 10.1016/S1003-6326(13)62702-8.
  19. He Z., Li H., Shi X., Fu Q., Wu H. Microstructure and oxidation resistance of SiC–MoSi2 multi-phase coating for SiC coated C/C composites // Progress in Natural Science: Materials International. 2014. Т. 24. № 3. С. 247–252. doi: 10.1016/j.pnsc.2014.05.005.
  20. Bezzi F., Burgio F., Fabbri P., Grilli S., Magnani G., Salernitano E., Scafe M. SiC/MoSi2 based coatings for Cf/C composites by two step pack cementation // Journal of the European Ceramic Society. 2019. Т. 39. № 1. С. 79–84. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.01.024.
  21. Wu H. M., Hu C. J., Chou Y. H. Preparation of SiC/MoSi2 composites by mechanical alloying and its fracture properties // Materials science forum. Trans Tech Publications Ltd, 2007. Т. 539. С. 1047–1052.
  22. Yang J. M., Jeng S. M. Interface and mechanical behavior of MoSi2-based composites // Journal of materials research. 1991. Т. 6. № 3. С. 505–513.
  23. Беляков А. Н., Марков М. А., Перевислов С. Н., Быкова А. Д., Дюскина Д. А., Чекуряев А. Г., Каштанов А. Д. Исследование зависимости прочностных характеристик керамики на основе карбида кремния от исходного содержания углерода // Новые огнеупоры. 2023. № 11. С. 31–35.
  24. Markov M. A., Belyakov A. N., Dyuskina D. A., Chekuryaev A. G., Bykova A. D., Perevislov S. N., Kashtanov A. D. Methods of forming geometrically complex manufactured products from silicon-carbide based, heat-resistant, ceramic materials // Glass and Ceramics. 2023. V. 80. № 7–8. P. 277–282. doi: 10.1007/s10717-023-00598-2.
  25. Гаршин А. П., Вильк Ю. Н. Влияние некоторых технологических параметров на формирование структуры материалов на основе реакционно-спеченного карбида кремния // Огнеупоры и техническая керамика. 1996. № 8. С. 2–8.
  26. Perevislov S. N., Markov M. A., Krasikov A. V., Bykova A. D. Effect of SiC dispersed composition on physical and mechanical properties of reaction-sintered silicon carbide // Refractories and Industrial Ceramics. 2020. V. 61. P. 211–215. doi: 10.1007/s11148-020-00458-4.
  27. Belyakov A. N., Markov M. A., Chekuryaev A. N., Bykova A. D., Duskina D. A., Perevislov S. N. Investigation of the reaction-sintered B4C–SiC materials produced by hot slip casting // Glass Physics and Chemistry. 2023. V. 49. № 3. P. 306–313. doi: 10.1134/S1087659623600060.
  28. Markov M. A., Vikhman S. N., Belyakov A. N., Dyuskina D. A., Kashtanov A. D., Perevislov S. N., Chekuryaev A. G., Bykova A. D. High-temperature bending tests of reaction-sintered silicon carbide-based ceramic materials // Russian Journal of Applied Chemistry. 2023. V. 96. № 1. P. 16–20. doi: 10.1134/S1070427223010032.
  29. Belyakov A. N., Markov M. A., Perevislov S. N., Dyuskina D. A., Chekuryaev A. G., Bykova A. D., Kashtanov A. D. Investigation of the structure and physicomechanical characteristics of reaction-sintered materials B4C-SiC // Refractories and Industrial Ceramics. 2023. V. 64. № 2 P. 67–70. doi: 10.1007/s11148-023-00806-0.
  30. Sychov M. M., Chekuryaev A. G., Bogdanov S. P., Kuznetsov P. A. Digital materials science: numerical characterization of steel microstructure // Research and Education: Traditions and Innovations. Inter-Academia. Lecture notes in networks and systems. 2021. V. 422. doi: 10.1007/978-981-19-0379-3_15.
  31. Вырикова А. Д. Цифровое материаловедение в интересах авиаиндустрии // Композитный мир. 2021. № 3(96). С. 22–23.
  32. Огородникова О. М. О проблемах интеграции вычислительного материаловедения в цифровое машиностроение // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2014. № 2(154). С. 30–34.
  33. Кочетов И. И. Национальные вызовы в цифровом материаловедении // Физическое материаловедение: сборник материалов XI международной школы, Тольяттинский государственный университет. 2023. С. 133–134.
  34. Shannon C. E. A mathematical theory of communication // The bell system technical journal. 1948. V. 27. № 3. P. 379–423. doi: 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x.
  35. Bormashenko E., Frenkel M., Vilk A., Legchenkova I., Fedorets A. A., Aktaev N. E., Dombrovsky L. A., Nosonovsky M. Characterization of self-assembled 2D patterns with voronoi entropy // Entropy. 2018. 20(12). P. 956. doi: 10.3390/e20120956.
  36. Schindelin J., Arganda-Carreras I., Frise E., Kaynig V., Longair M., Pietzsch T., Cardona A. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis // Nature Methods. 2012. V.9. № 7. P. 676–682. doi: 10.1038/nmeth.2019.
  37. Abramoff M. D., Magalhaes P. J., Ram S. J. Image processing with ImageJ // Biophotonics International. 2003. V. 11. № 7. P. 36–42.
  38. Massalski T. B., Okamoto H., Subramanian P. R., Kacprzak L. Binary alloy phase diagrams. Second edition. // ASM International, Materials Park, Ohio, USA. 1990. Т. 12. V. 3. 3589 p.
  39. Liu Y., Shao G., Tsakiropoulos P. Thermodynamic reassessment of the Mo-Si and Al-Mo-Si systems // Intermetallics. 2000. Т. 8. № 8. P. 953–962. doi: 10.1016/S0966-9795(00)00068-6.
  40. Barin I. Thermochemical data of pure substances. Third Edition // Weinheim: Wiley-VCH. 1995. 2003 p. doi: 10.1002/9783527619825.
  41. Dong P. Lacunarity for spatial heterogeneity measurement in GIS // Geographic Information Sciences. 2009. 6(1). P. 20–26. doi: 10.1080/10824000009480530.
  42. Козлов Г. В., Долбин И. В., Койфман О. И. Фрактальная модель усиления нанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки с ультрамалыми концентрациями нанонаполнителя // Доклад Академии наук. 2019. Т. 486, № 1. С. 39–43.
  43. Новиков Д. В. Самоорганизация кластеров фаз в однородно неупорядоченных полимерных композиционных материалах // Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 9. С. 1829–1833.
  44. Alinejadian N., Wang P., Kollo L., Prashanth K. G. Selective laser melting of commercially pure molybdenum by laser rescanning // 3D Printing and Additive Manufacturing. 2023. V. 10/ № 4. P. 785–791. doi: 10.1089/3dp.2021.0265
  45. Wu Y., Li M., Wang J., Wang Y., An X., Fu H., Zhang H., Yang X., Zou Q. Powder-bed-fusion additive manufacturing of molybdenum: process simulation, optimization, and property prediction // Additive Manufacturing. 2022. V. 58. Р. 103069. doi: 10.1016/j.addma.2022.103069.
  46. Rock C., Lara-Curzio E., Ellis B., Ledford C., Leonard D. N., Kannan R., Kirka M., Horn T. Additive manufacturing of pure Mo and Mo + TiC MMC alloy by electron beam powder bed fusion // The journal of the minerals. 2020. V. 72. Р. 4202–4213. doi: 10.1007/s11837-020-04442-8.
  47. Enneti R. K., Trasorras J. L., Kestler H. Additive manufacturing of tungsten, molybdenum, and cemented carbides // Additive Manufacturing processes, book chapter. 2020. doi: 10.31399/asm.hb.v24.a0006583.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Этапы получения керамических материалов (реакционное спекание): а – обсыпка заготовок образцов кремнием перед реакционным спеканием; б – спеченные образцы до пескоструйной обработки; в – спеченные образцы после пескоструйной обработки

Скачать (179KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Дифрактограмма спеченных образцов керамик составов 2–5

Скачать (110KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость прочностных свойств керамик составов 1–5 от пористости

Скачать (79KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Распределение элементов, структура в поперечном сечении, образец 2: а – тепловая элементная карта по кремнию (соответствие SiC и Si); б – тепловая элементная карта по молибдену (соответствие MoSi2); в – общий вид структуры

Скачать (192KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Увеличение содержания фазы MoSi2 при введении молибдена в реакционно-спеченном керамическом материале: а – состав 2; б – состав 4; в – состав 5

Скачать (149KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Пример выделения зерен на фрагменте структуры (керамика состава 2)

Скачать (175KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Взаимосвязь структурных и прочностных характеристик керамик: а – зависимость прочности на изгиб от лакунарности по зернам всех типов; б – зависимость прочности на изгиб от лакунарности по зернам дисилицида молибдена

Скачать (79KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость прочности на изгиб керамик от параметра энтропии Вороного

Скачать (50KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Схема аддитивного выращивания прототипа SiC–Mo

Скачать (84KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 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».