Цикл исследований и разработок экстремальных процессов получения тугоплавких боридов и материалов на их основе

• Автор: Неронов, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 53 с.; 20х15 см

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Ускорение научно-технического прогресса в значительной мере обеспечивается созданием новых материалов, способных работать в условиях высоких температур, скоростей, напряжений и обладающих сложным комплексом физико-химических и технических свойств. В создании новых и существенном улучшении традиционных материалов большую роль играют тугоплавкие соединения, среди которых важное место занимают бориды. Анализ работ в области боридов, выполненный автором в монографиях [1-5], показал, что возможности традиционных квазиравновесных процессов получения этих соединений, а также процессов их спекания оказались фактически исчерпанными.
Практическое достижение экстремальных значений давления, температур, скоростей, размеров реагентов и других физических параметров привело к развитию качественно новых - сильно неравновесных экстремальных процессов. В области тугоплавких соединений, боридов в частности, такими процессами являются плазмохимические, самораспростра-няющийся высокотемпературный синтез (СВС), металлотермические и др. Металлотермические способы разработаны слабо, хотя обладают рядом известных достоинств [6-9] и в некоторых случаях не имеют альтернативы. Развитие физико-химических аспектов активированного спекания высокотемпературных соединений является и будет впредь актуальным.
Среди тугоплавких соединений особое место занимают бескислородные неметаллические соединения, образуемые легкими яр-элементами 3-5 групп периодической системы - бором, углеродом, азотом, кремнием и алюминием. Рис. 1 демонстрирует неоднозначность литературных данных о фазовых равновесиях в системах и тем самым подчеркивает их сложность Наиболее изучены системы В - С, В - 81, В - N. Соединения этих систем и сплавы на их основе успешно используются в химии и металлургии, машиностроении, инструментальной промышленности, электро- и радиотехнике, ракетной технике и других областях. К началу настоящей работы сведения о диаграмме состояния В - А1, числе и составе фаз, уело-ых их получения, свойствах были отрывочными и противоречивыми,
. ртя бориды алюминия относятся к числу первых синтезированных соединений бора с металлами (1857 г.) [1].

р-Т диаграмма нитрида бора ВМВІЧ,, Вік - гексагональная графитоподобная, гексагональная вюртцнтная и кубическая сфалеритная модификации.
в,с+с
28 35 С. ат. %
Система В-С
т,°с 2600 !
30 40 50 С, мае. %
В, масс. %
Ж+8ІВ \
В, яг. % 1300 0
Система В-8І
Рис. 1. Неметаллические соединения в двойных системах, образованных бором, углеродом, азотом, кремнием и алюминием; некоторые варианты диаграмм состояния по литературным данным [2, 3, 5].
3.2. Спекание в электронном пучке
Работы [63, 64], выполненные в ИХТТИМС СО АН СССР и ИЯФ СО АН СССР с участием автора, положили начало новому направлению в процессах спекания - исследованию роли в этих процессах мощного высокоэнергетического пучка электронов, получившему официальное признание (журн. “Знание - сила”, 1983, №2, с. 3; решение первой республиканской конференции “Экстремальные процессы в порошковой металлургии тугоплавких сверхтвердых материалов”, г. Киев, 24—25 мая 1984 г.; отзывы академиков НАН Украины В.И. Трефилова и П.С. Кислого).
Эксперименты проведены на импульсном линейном ускорителе ИЛУ-6 (энергия электронов 1,6 + 0,1 МэВ, продолжительность импульса (4-7) х Ю'4 с, набор частот 2, 5, 10, 15, 25 и 50 Гц). Поскольку процессы могли осуществляться только на воздухе, в качестве модельного объекта был выбран представляющий практический и научный интерес оксид Еп203 (низкотемпературная кубическая модификация), свойства которого были изучены достаточно полно и с которым автор ранее имел опыт работы. Для выявления возможного радиационно-термического эффекта, наряду со спеканием в пучке электронов, проводили сравнительные эксперименты в силитовой печи. На основании поисковых исследований по влиянию на спекаемость Еи203 добавок оксидов РЗМ ((М, Тш, Ей, УЪ, У) и оксидов переходных металлов 4 и 6 групп, в качестве добавки был выбран диоксид титана.
Исследование было проведено на цилиндрических образцах диаметром 0,81 см и высотой 2,5 мм (массовая толщина 0,5 г/см2). При этой толщине и указанной энергии электронов достигалось оптимальное распределение поглощенной дозы по глубине образца. Относительная плотность спрессованных для спекания образцов составляла около 30 %. Нагрев до заданных температур - 1050, 1200, 1350 и 1500 °С - осуществлялся во всех экспериментах за - 1 мин (неизотермический участок спекания). Такая скорость нагрева достигалась быстрым введением образца в безгради-ентную зону печи, нагретую до заданной температуры, а при облучении электронами - подбором мощностей поглощенных доз, которые для указанных температур изменялись в пределах 6,3-13,6 Мрад/с. При достижении заданной температуры переходили с одного режима на другой, обеспечивающий температурное плато. Мощности поглощенных доз для изотермических участков составляли 2,1; 2,6; 4,4; 6,5 Мрад/с соответственно для 1050, 1200, 1350 и 1500 °С.
Температура контролировалась платина-платинородиевой термопарой, вводимой в геометрический центр образца, где температура была максимальной. Таким образом, при спекании в электронном пучке температуру фиксировали по верхнему пределу, а средняя температура была несколько ниже.