Методом реакционного спекания (силицирования) при 1550?°C получены композиционные материалы в системах SiC–ZrB2 и SiC–ZrC. Исследовано влияние типа исходного соединения циркония на фазовые превращения, микроструктуру и физико-механические свойства. Методами рентгенофазового анализа (РФА), сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным микроанализом (СЭМ-ЭДС) и дифференциально-сканирующей калориметрии с термогравиметрией (ДСК-ТГ) показано, что ZrB2 химически стабилен в условиях силицирования: основная часть диборида сохраняется, силицид циркония ZrSi2 образуется лишь в незначительных количествах. Это обеспечивает полноценную инфильтрацию пор кремниевым расплавом и формирование плотного композита с прочностью на изгиб 195?МПа. В системе с ZrC уже при 1360?°C возникает жидкая фаза (эвтектика ZrSi2–Si), инициирующая интенсивное силицидообразование на поверхности частиц. Образующаяся плотная корка из силицидов блокирует капиллярный транспорт, оставляя внутренние области рыхлыми и неспеченными. Показано, что ZrB2 перспективен для использования в качестве модифицирующей фазы в композитах на основе карбида кремния, получаемых реакционным спеканием.
Алина Дмитриевна Быкова – кандидат технических наук, начальник лаборатории «Техническая керамика», НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, Россия
Антон Николаевич Беляков – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, Россия
Александр Дмитриевич Каштанов – доктор технических наук, советник генерального директора НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, Россия
Маргарита Андреевна Глебова – инженер, НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, Россия
1. Wang X., Gao X., Zhang Z., et al. Advances in modifications and high-temperature applications of silicon carbide ceramic matrix composites in aerospace: A focused review // Journal of the European Ceramic Society. 2021. V. 41, No. 9. P. 4671 – 4688. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.051
2. Qingwei H., Zhihao J. The high temperature oxidation behavior of reaction-bonded silicon carbide // Journal of Materials Processing Technology. 2001. V. 110, No. 2. P. 142 – 145. DOI: 10.1016/s0924-0136(00)00859-1
3. Ishikawa T., Kajii S., Matsunaga K., et al. A tough, thermally conductive silicon carbide composite with high strength up to 1600 °C in air // Science. 1998. V. 282, No. 5392. P. 1295 – 1297. DOI: 10.1126/science.282.5392.1295
4. Belyakov A. N., Markov M. A., Kravchenko I. N., et al. Contemporary materials and their application in the construction of special engineering high-temperature objects // Refractories and Industrial Ceramics. 2024. V. 64, No. 3. P. 256 – 264. DOI: 10.1007/s11148-024-00835-3
5. Morscher G. N., Pujar V. V. Melt-infiltrated SiC composites for gas turbine engine applications // Volume 2: Turbo Expo 2004. ASMEDC, 2004. P. 353 – 359. DOI: 10.1115/gt2004-53196
6. Yilmaz S., Theodore M., Ozcan S. Silicon carbide fiber manufacturing: Cost and technology // Composites Part B: Engineering. 2024. V. 269. P. 111101. DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.111101
7. Markov M. A., Krasikov A. V., Kravchenko I. N., et al. Development of novel ceramic construction materials based on silicon carbide for products of complex geometry // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2021. V. 50, No. 2. P. 158 – 163. DOI: 10.3103/S1052618821020096
8. Katz R. N. High-temperature structural ceramics // Science. 1980. V. 208, No. 4446. P. 841 – 847. DOI: 10.1126/science.208.4446.841
9. Llorca J., Singh R. N. Influence of fiber and interfacial properties on fracture behavior of fiber-reinforced ceramic composites // Journal of the American Ceramic Society. 1991. V. 74, No. 11. P. 2882 – 2890. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1991.tb06858.x
10. Lamon J. Review: creep of fibre-reinforced ceramic matrix composites // International Materials Reviews. 2019. V. 65, No. 1. P. 28 – 62. DOI: 10.1080/09506608.2018.1564182
11. Ishikawa T. Crack-resistant fiber-bonded ceramic // Advanced Engineering Materials. 1999. V. 1, No. 1. P. 59 – 61.
12. Wei G. C., Becher P. F. Improvements in mechanical properties in SiC by the addition of TiC particles // Journal of the American Ceramic Society. 1984. V. 67, No. 8. P. 571 – 574. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1984.tb19174.x
13. Faber K. T., Evans A. G. Intergranular crack-deflection toughening in silicon carbide // Journal of the American Ceramic Society. 1983. V. 66, No. 6. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1983.tb10084.x
14. Kim G. D., Kim Y. W., Yong S. M., et al. Improving specific stiffness of silicon carbide ceramics by adding boron carbide // Journal of the European Ceramic Society. 2022. V. 42, No. 15. P. 6827 – 6835. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.08.003
15. Milman V., Winkler B., Probert M. I. J. Stiffness and thermal expansion of ZrB2 // Journal of Physics: Condensed Matter. 2005. V. 17, No. 13. P. 2233 – 2241. DOI: 10.1088/0953-8984/17/13/019
16. Fu H., Teng M., Hong X., et al. Elastic and thermodynamic properties of ZrB2: First principle study // Physica B: Condensed Matter. 2010. V. 405, No. 3. P. 846 – 851. DOI: 10.1016/j.physb.2009.09.002
17. Lawson A. C., Butt D. P., Richardson J. W., et al. Thermal expansion and atomic vibrations of zirconium carbide to 1600 K // Philosophical Magazine. 2007. V. 87, No. 17. P. 2507 – 2519. DOI: 10.1080/14786430701227548
18. Stockmeier M., Sakwe S. A., Hens P., et al. Thermal expansion coefficients of 6H silicon carbide // Materials Science Forum. 2008. V. 600 – 603. P. 517 – 520. DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.600-603.517
19. Li Z., Bradt R. C. Thermal expansion of the hexagonal (6H) polytype of silicon carbide // Journal of the American Ceramic Society. 1986. V. 69, No. 12. P. 863 – 866. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1986.tb07385.x
20. Nakamori F., Ohishi Y., Muta H., et al. Mechanical and thermal properties of bulk ZrB2 // Journal of Nuclear Materials. 2015. V. 467. P. 612 – 617. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2015.10.024
21. Zhang X., Qu Q., Han J., et al. Microstructural features and mechanical properties of ZrB2-SiC-ZrC composites fabricated by hot pressing and reactive hot pressing // Scripta Materialia. 2008. V. 59, No. 7. P. 753 – 756. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2008.06.004
22. Rosenberger A., Stanciu L., Callegari B. ZrB2-SiC and ZrB2-ZrC ceramics with high secondary phase content // International Journal of Applied Ceramic Technology. 2014. V. 12, Sup. 2. DOI: 10.1111/ijac.12217
23. Stanfield A. D., Bockowski M., Synoradzki K., et al. Measurement of the melting temperature of ZrB2 as determined by laser heating and spectrometric analysis // Journal of the American Ceramic Society. 2021. V. 104, No. 6. P. 2780 – 2787. DOI: 10.1111/jace.17634
24. Liu Q., Han W., Hu P. Microstructure and mechanical properties of ZrB2-SiC nanocomposite ceramic // Scripta Materialia. 2009. V. 61, No. 7. P. 690 – 692. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2009.05.041
25. Rezapour A., Balak Z. Fracture toughness and hardness investigation in ZrB2-SiC-ZrC composite // Materials Chemistry and Physics. 2020. V. 241. P. 122284. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.122284
26. Shao G., Zhao J., Duan L., et al. ZrB2-ZrSi2-SiC composites prepared by reactive spark plasma sintering // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2016. V. 60. P. 104 – 107. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2016.07.011
27. Yang H., Zhang L., Guo X., et al. Pressureless sintering of silicon carbide ceramics containing zirconium diboride // Ceramics International. 2011. V. 37, No. 6. P. 2031 – 2035. DOI: 10.1016/j.ceramint.2011.01.048
28. Zhang R., He R., Zhang X., et al. Microstructure and mechanical properties of ZrB2-SiC composites prepared by gelcasting and pressureless sintering // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2014. V. 43. P. 83 – 88. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2013.11.008
29. Wang K., Zhou Y., Xu W., et al. Reactive hot pressing of SiC-ZrC composites at low temperature // Journal of the European Ceramic Society. 2017. V. 37, No. 2. P. 849 – 854. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.08.027
30. Orlovskaya N., Stadelmann R., Lugovy M., et al. Mechanical properties of ZrB2-SiC ceramic composites: room temperature instantaneous behaviour // Advances in Applied Ceramics. 2013. V. 112, No. 1. P. 9 – 16. DOI: 10.1179/1743676112Y.0000000042
31. Zhang X., Xu L., Du S., et al. Spark plasma sintering and hot pressing of ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramics // Journal of Alloys and Compounds. 2008. V. 466, No. 1–2. P. 241 – 245. DOI: 10.1016/j.jallcom.2007.11.018
32. Zhao L., Jia D., Duan X., et al. Low temperature sintering of ZrC-SiC composite // Journal of Alloys and Compounds. 2011. V. 509, No. 41. P. 9816 – 9820. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.08.041
33. Ma B., Zhang X., Han J., et al. Fabrication of hot-pressed ZrC-based composites // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2009. V. 223, No. 8. P. 1153 – 1157. DOI: 10.1243/09544100jaero483
34. Гаршин А. П., Чулкин С. Г. Реакционноспеченные карбидокремниевые материалы конструкционного назначения: физико-механические и триботехнические свойства. СПб: Изд-во Политехнического ун-та, 2006. 83 с.
35. Belyakov A. N., Markov M. A., Dyuskina D. A., et al. A comparative study of methods for obtaining silicon carbide ceramic materials // Refractories and Industrial Ceramics. 2023. V. 64, No. 3. P. 299 – 310. DOI: 10.1007/s11148-024-00842-4
36. Markov M. A., Vikhman S. N., Belyakov A. N., et al. High-temperature bending tests of reaction-sintered silicon carbide-based ceramic materials // Russian Journal of Applied Chemistry. 2023. V. 96, No. 1. P. 16 – 20. DOI: 10.1134/S1070427223010032
37. Belyakov A. N., Markov M. A., Kravchenko I. N., et al. Study of the structural, physical, and mechanical characteristics of reaction-sintered silicon carbide ceramics // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2023. V. 52, Sup. 1. P. S74 – S81. DOI: 10.3103/S1052618823090029
38. Markov M. A., Belyakov A. N., Dyuskina D. A., et al. Methods of forming geometrically complex manufactured products from silicon-carbide based, heat-resistant, ceramic materials // Glass and Ceramics. 2023. V. 80, No. 7–8. P. 277 – 282. DOI: 10.1007/s10717-023-00598-2
39. Belyakov A. N., Markov M. A., Perevislov S. N., et al. Investigation of the structure and physicomechanical characteristics of reaction-sintered materials B4C-SiC // Refractories and Industrial Ceramics. 2023. V. 64, No. 2. P. 67 – 70. DOI: 10.1007/s11148-023-00806-0
40. Dyuskina D. A., Markov M. A., Kravchenko I. N., et al. Effect of the carbon component on the strength of reaction-sintered silicon-carbide ceramics // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2024. V. 53, No. 2. P. 121 – 126. DOI: 10.1134/S1052618824020055
41. Belyakov A. N., Markov M. A., Chekuryaev A. N., et al. Investigation of the reaction-sintered B4C-SiC materials produced by hot slip casting // Glass Physics and Chemistry. 2023. V. 49, No. 3. P. 306 – 313. DOI: 10.1134/S1087659623600060
42. Singh B. P., Bhattacharjee S., Besra L., et al. Use of polymeric and other organic additives in ceramic slurry processing for casting – A review // Transactions of the Indian Ceramic Society. 2004. V. 63, No. 1. P. 1 – 8. DOI: 10.1080/0371750x.2004.11012121
43. Barin I. Thermochemical data of pure substances. Third ed. Weinheim: VGH Verlagsgesellschaft GmbH, 1995. DOI: 10.1002/9783527619825
44. Gueneau C., Servant C., Ansara I., et al. Thermodynamic assessment of the Si-Zr system // Calphad. 1994. V. 18, No. 3. P. 319 – 327. DOI: 10.1016/0364-5916(94)90036-1
45. Chen H. M., Xiang Y., Wang S., et al. Thermodynamic assessment of the C-Si-Zr system // Journal of Alloys and Compounds. 2009. V. 474, No. 1–2. P. 76 – 80. DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.06.086
Статью можно приобрести
в электронном виде!
PDF формат
700 руб
DOI: 10.14489/glc.2026.10.pp.016-026
Тип статьи:
Научная статья
Оформить заявку
