Высокая прочность на изгиб при 1800 °C, превышающая 1 ГПа в TiB2.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6915 (2023) Цитировать эту статью

427 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Керамический композит высокой плотности (99,5 %), состоящий из борида титана и карбида бора (70/30 об. %), был получен методом искрово-плазменного спекания и испытан методом трехточечного изгиба в атмосфере Ar при 1800 °С. Прочность на изгиб была высокой, около 1,1 ГПа. Кривая прочности–деформации имеет своеобразную форму, состоящую из трех областей, где активны упругие и пластические деформации с разным весом. На основе наблюдений просвечивающей электронной микроскопии мы предлагаем процесс поглощения механической энергии, вызванный сдвиговым напряжением в кристаллах карбида бора: дефекты упаковки с плоскостями упаковки (1-11) и (011) и двойники с плоскостью двойникования (1-11) перестраиваются в нанодвойники с плоскостями двойникования (10-1), ортогональными, но эквивалентными исходным. Этот механизм перестановки в первую очередь обеспечивает пластическую подпись, но в дальнейшем способствует усилению.

Технологические достижения в таких стратегических областях, как атомная энергетика и аэрокосмическая промышленность, в первую очередь связаны с разработкой инновационных функциональных материалов1. Такие материалы для экстремальных условий должны выдерживать очень высокие температуры, обладать высокой твердостью, ударной вязкостью и, в идеале, хорошей теплопроводностью, электропроводностью и химической стабильностью. Все вышеперечисленные функции должны проявляться одновременно. Более того, производство этих материалов должно быть дешевым, быстрым и масштабируемым2.

Лишь немногие семейства материалов3 отвечают конкретному, узкому набору вышеупомянутых требований. Среди них тугоплавкие металлы (например, W и Mo), оксиды (ZrO2 и MgO), бориды (TiB2 и TaB)4, карбиды (TaC, ZrC и TiC) или нитриды (TaN и HfN). В целом при комнатной температуре металлы пластичны и подвергаются пластической деформации, тогда как керамика хрупкая, твердая и упруго деформируется. Однако совершенно неожиданно может возникнуть деформационное поведение, сопровождающееся необычными физическими механизмами деформации. Например, некоторые керамики, такие как карбид тантала (TaC), борид гафния (HfB2) и карбид бора (обозначенный BC), способны выдерживать при высоких температурах пластическую деформацию, аналогичную металлам, из-за, например, динамики кристаллографических дефектов5,6,7, 8. При механической нагрузке взаимодействие между внутренними свойствами материала (кристаллохимия и дефекты) и микроструктурой на нано- и микромасштабе (размер зерен, распределение, форма и границы зерен) может способствовать появлению новых физических механизмов релаксации энергии. Эти механизмы приводят к своеобразным профилям кривых зависимости напряжения от деформации. Кроме того, хорошо известно, что необходимо учитывать условия приложения нагрузки (например, тип нагрузки, скорость и угол приложения), размер и форму образца.

В последние годы наблюдается большой интерес к керамике и композитам TiB2, армированным, например, B4C и SiC9,10,11,12,13,14,15. Эту керамику исследуют путем испытаний на изгиб, обычно при комнатной температуре. В целом, в зависимости от размера зерна, армирования и микроструктуры композита с учетом дефектов, прочность на изгиб при комнатной температуре достигает значений 600–900 МПа. Макроскопические механизмы разрушения связаны с образованием и развитием трещин и характерны для хрупкой керамики. Среди них в литературе указывается упрочнение межфазных микротрещин из-за различий в коэффициентах теплового расширения компонентов композита, прогиба трещин, раскола и усиления межкристаллитного разрушения14. Сообщается о гораздо меньшем количестве исследований механических свойств этих материалов при высоких температурах. В ссылке 9 представлены обзоры работ, демонстрирующих прочность TiB2 на изгиб при высоких температурах. Мы узнаем, что значения прочности на изгиб также не превышают 1 ГПа, хотя тенденция к увеличению с увеличением температуры испытания заметна и заслуживает внимания. Недавно сообщалось, что прочность на изгиб композита TiB2-B4C достигает сверхвысоких значений — до 8,4 ГПа при 2000 °С16. Эти значения значительно превышают предел прочности на изгиб в 1 ГПа при комнатной температуре.