Влияние углеродного компонента на прочностные свойства реакционно-спеченной карбидокремниевой керамики

Д. А. Дюскина; Дюскина Д. А.; М. А. Марков; Марков М. А.; И. Н. Кравченко; Кравченко И. Н.; А. Д. Каштанов; Каштанов А. Д.; А. Д. Быкова; Быкова А. Д.; А. Г. Чекуряев; Чекуряев А. Г.

doi:10.31857/S0235711924020033

Влияние углеродного компонента на прочностные свойства реакционно-спеченной карбидокремниевой керамики

Autores: Дюскина Д.А.¹, Марков М.А.¹, Кравченко И.Н.², Каштанов А.Д.¹, Быкова А.Д.¹, Чекуряев А.Г.¹
Afiliações:
1. НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей»
2. Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Edição: Nº 2 (2024)
Páginas: 20-26
Seção: НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ
URL: https://journals.rcsi.science/0235-7119/article/view/264625
DOI: https://doi.org/10.31857/S0235711924020033
EDN: https://elibrary.ru/QWLDAW
ID: 264625

Citar

Texto integral

Resumo
Texto integral
Sobre autores
Bibliografia
Arquivos suplementares
Estatísticas

Resumo

В статье представлены теоретические расчеты содержания остаточного кремния в структуре реакционно-спеченного карбида кремния. Экспериментально установлена зависимость предела прочности на изгиб от исходного содержания углерода. Определены рациональный фракционный состав и количество углеродной составляющей для получения карбидокремниевой керамики максимальной повышенной прочности.

Palavras-chave

карбид кремния, микроструктура образцов, прочность керамического материала, реакционное спекание, силицирование

Texto integral

В настоящее время наиболее часто керамику на основе карбида кремния получают методом реакционного спекания (силицирования) [1–4]. Это связано с тем, что этот способ имеет ряд преимуществ: простота технологии, высокая производительность, возможность получения сложнопрофильных изделий, характеризующихся достаточно высокими физико-механическими свойствами и практически нулевой усадкой.

В процессе реакционного спекания заранее введенный в заготовки углерод взаимодействует с жидким кремнием с образованием вторичного карбида кремния, а оставшийся непрореагировавший кремний заполняет поры заготовки [5–7]. При этом имеющийся в конечном изделии несвязанный кремний и/или углерод негативно влияет на физико-механические свойства спеченного карбида кремния [8–10]. Таким образом, для получения материалов с максимальными физико-механическими характеристиками необходимо более точно подбирать количество вводимых в заготовку углерода и кремния для наибольшего заполнения пор вторичным карбидом кремния и минимизации количества остаточного кремния и/или углерода.

Цель исследования заключается в экспериментальном определении количества вводимой углеродной составляющей для получения реакционно-спеченного карбида кремния с улучшенными физико-механическими характеристиками.

Материалы и методы исследований. Исходные смеси порошков карбида кремния различных фракций перемешивали с техническим углеродом в барабанном смесителе в течение 5 ч. Составы исследуемых порошковых смесей представлены в табл. 1. Методом холодного одноосного прессования формовали образцы для механических испытаний размером 5×5×45 мм. В качестве пластификатора использовали 2%-ный водный раствор полиэтиленгликоля.

Таблица 1. Исходные соотношения порошковых компонентов

Номер состава	Содержание карбида кремния, мас. %		Технический углерод, мас. %
Номер состава	«Крупная» фракция (35–45 мкм)	«Мелкая» фракция (3–7 мкм)	Технический углерод, мас. %
1	50	50	15
2	60	40	15
3	70	30	15
4	80	20	15
5	90	10	15
6	100	0	15

Полученные прессованные заготовки образцов обсыпали кремнием (в количестве 70% от массы заготовки) и спекали (силицировали) в вакууме при температуре 1500 °С в течение 10 мин. В процессе спекания расплавленный кремний вступает в реакцию с углеродом с образованием вторичного SiC^II [11]:

${SiC}^{I}_{(тв)} + {Si}_{(ж)} + C_{(тв)} = {SiC}^{I}_{(тв)} + {SiC}^{II}_{(тв)}$ . (1)

Полученные спеченные керамические образцы подвергали пескоструйной обработке для удаления излишков кремния с поверхности образцов. Измерение прочности при трехточечном изгибе проводили на универсальной испытательной машине ShimadzuAG-300kNX в соответствии с требованиями ГОСТ 24409–80. Фазовый состав спеченных образцов определяли с помощью многофункционального рентгеновского дифрактометра Rigaku Ultima IV. Для расшифровки дифрактограмм использовали базы данных COD и PDF-2 [12, 13]. Для изучения микроструктуры спеченных образцов использовали сканирующий электронный микроскоп Tescan Vega 3 [14, 15].

Результаты исследований и их анализ. Рассмотрим чувствительность прочностных характеристик карбидокремниевой керамики, полученной из смеси керамических порошков экспериментальной (оптимальной по свойствам) выборки крупной/мелкой фракции, в зависимости от исходного содержания технического углерода в прессованной заготовке. Для этого следует обратиться к классическим научным работам Г.Г. Гнесина и Д.Д. Несмелова [16, 17], в которых предложен расчетный подход к определению оптимальной пористости и кажущейся плотности пористой заготовки, содержащей карбид кремния и углерод. В частности, исходя из стехиометрических соотношений компонентов, участвующих в образовании вторичного карбида кремния, а также данных о молекулярной массе карбида кремния и атомной массе углерода, предложено выражение для определения кажущейся плотности прессованной заготовки:

$ρ = \frac{3.21}{1 + 2.33 x_{c}}$ , (2)

где ρ – кажущаяся плотность пористой заготовки, кг/см³; x_с – содержание углерода в заготовке, выраженное в массовых долях.

Расчетным способом можно определить, что при введении 15 мас. % технического углерода кажущаяся плотность составляет 2.38 г/см³. Соответственно, для полной реакции взаимодействия углерода с жидким кремнием пористость прессованной заготовки прогнозируемо должна составлять 26%. Однако в реальных условиях плотность прессовок составов № 1–6 (табл. 1) при давлении 100 МПа достигает значений 2.18–2.22 г/см³, что соответствует пористости порядка 30–32%. Предположим, что в избыточном поровом пространстве сохраняется наличие свободного кремния (не связанного с углеродом во вторичный карбид кремния) после проведения реакционного спекания. Расчетный анализ показывает, что для исследуемой выборки прессованных заготовок с учетом заполнения остаточных пор кремнием наблюдается корреляция с физико-механическими свойствами спеченного керамического материала (рис. 1). При этом чем больше кремния в керамике, тем ниже ее прочность [18–20].

Рис. 1. Зависимость изменения предела прочности при изгибе от расчетного содержания кремния в керамических материалах, полученных из смеси керамических порошков (составы 1–6)

Однако полученный результат по определению содержания кремния применим только при условии формирования в материале двухфазной системы, без учета возможного наличия пористости и граничных фаз твердых растворов, влияющих на изменение плотности, что делает расчетную характеристику условной. На рис. 2 и 3 показана характерная структура карбидокремниевого материала с включениями кремния.

Рис. 2. Характерная структура силицированного карбида кремния (исходное содержание технического углерода 15% мас.) (табл. 1, состав 3)

Рис. 3. Дифрактограмма реакционно-спеченного карбида кремния (табл. 1, состав 3)

Следует отметить, что определение непосредственно твердого раствора SiC_х методом рентгенофазового анализа не представляется возможным. Однако на межфазных границах с применением электронной микроскопии можно наблюдать характерные зоны фазы кремния с небольшим содержанием углерода.

На основании анализа полученных результатов исследований можно предположить, что чем выше содержание углерода в прессованной заготовке, тем больше содержание вторичного карбида кремния в спеченном керамическом материале.

Результаты анализа уравнения кажущейся плотности (2) показывают следующее: 1) при введении 5% мас. углерода теоретически примерно 10% порового пространства заготовки заполняется SiC^II, плотность прессованной заготовки может достигать 2.75 г/см³, при формировании SiC^II в материале сохраняется остаточная пористость, что приводит к небольшому содержанию остаточного кремния. Плотность керамики достигает 3.10 г/см³; 2) при введении 15% мас. углерода ~26% порового пространства заготовки заполняется SiC^II, плотность прессованной заготовки может достигать 2.22 г/см³, при формировании SiC^II в материале сохраняется остаточная пористость и незначительное количество кремния. Плотность керамики достигает 3.11 г/см³; 3) при введении 20% мас. углерода избыточная пористость в прессованной заготовке отсутствует, в результате чего в материале может присутствовать остаточный углерод, который уменьшает механические свойства керамического материала.

Керамический материал после спекания можно рассматривать как каркас, состоящий из зерен SiC^I, скрепленный за счет реакционно-диффузионного механизма «связующим наполнителем» – зернами SiC^II [21–23].

Применяя метод отражения обратных электронов [23], получена микроструктура карбидокремниевой керамики (рис. 4).

Рис. 4. Характерная микроструктура керамического карбидокремниевого материала (введение 15 мас. % исходного углерода)

На рис. 5 показано изменение предела прочности при изгибе керамики от исходного содержания углерода.

Рис. 5. Зависимость прочности при изгибе керамики от исходного содержания углерода в прессованной заготовке

При увеличении содержания углерода в прессованной заготовке прочность керамического материала незначительно повышается. Однако при введении избытка углерода (более 15 мас. %) прочность спеченного материала уменьшается.

Выводы. 1. Проведены расчеты по определению количества остаточного кремния в реакционно-спеченном карбиде кремния в зависимости от пористости прессованной заготовки. При этом наименьшим количеством остаточного кремния (4 мас. %) с наилучшими физико-механическими свойствами (прочность на изгиб 398 ± 10 МПа) характеризуется образец состава 70/30 мас. % крупной/мелкой фракции. 2. Экспериментально установлено, что при увеличении количества вводимого исходного углерода предел прочности при изгибе повышается до определенного максимума (398 ± 10 МПа) при содержании углерода 15 мас. %, после чего наблюдается снижение прочностных характеристик карбидокремниевой керамики. 3. Определен оптимальный состав порошка, позволяющий получать плотную керамику с высокими прочностными характеристиками: 70 мас. % крупной (35–45 мкм) фракции, 30 мас. % мелкой (3–7 мкм) и 15 мас. % технического углерода.

Финансирование. Исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов» НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей». Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-73-30019.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.