Формування структури і властивостей сплавів системи SiC– (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Дуань Маньтан Формування структури і властивостей сплавів системи SiC– (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2 − Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 «Матеріалознавство». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню композиційних матеріалів системи SiC–(Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2(SiC-HEB), у якій карбід кремнію розглядається як високотемпературна керамічна матриця, а високоентропійний диборид перехідних металів – як перспективна зміцнювальна фаза. Актуальність роботи зумовлена необхідністю створення нових керамічних матеріалів, здатних працювати в умовах високих температур, інтенсивного зношування, термічних навантажень та окиснювального середовища. Карбід кремнію має високу твердість, низьку густину, добру термостійкість і хімічну стабільність, однак його практичне застосування обмежується складністю спікання, недостатньою тріщиностійкістю та чутливістю до мікроструктурних дефектів. У зв’язку з цим введення другої тугоплавкої фази є одним із перспективних шляхів підвищення механічних і високотемпературних властивостей SiC-кераміки. У роботі поєднано методи першопринципних розрахунків і експериментального синтезу для встановлення закономірностей формування фазового складу, структури та властивостей матеріалів системи SiC–HEB. Дослідження включало розрахунок структурної стабільності, термодинамічних характеристик, електронної структури та механічних властивостей високоентропійного дибориду, визначення евтектичного складу системи SiC–HEB, одержання матеріалів методами дугового плавлення, безтигельного зонного плавлення зі спрямованою кристалізацією та швидкісного гарячого пресування, а також аналіз фазового складу, мікроструктури, механічних властивостей і окиснювальної стійкості. На першому етапі на основі теорії функціоналу густини виконано прогнозування властивостей однофазного твердого розчину (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2. Для опису хімічного безладу на металевій підґратці використано підхід спеціальних квазівипадкових структур, що дає змогу наблизити локальне атомне оточення до випадкового розподілу елементів у багатокомпонентному твердому розчині. Розрахунки показали, що досліджуваний високоентропійний диборид є структурно стабільним і зберігає кристалічну будову типу AlB₂. Формування багатокомпонентного твердого розчину супроводжується локальними спотвореннями кристалічної ґратки, що пов’язано з різницею атомних радіусів і хімічної природи Ti, Zr, Hf, Nb і Ta. Розраховані пружні характеристики свідчать про високу жорсткість і механічну стабільність високоентропійного дибориду. Теоретична твердість за Віккерсом становить близько 32 ГПа, а розрахована тріщиностійкість – приблизно 3,57 МПа∙м1/2. Таке поєднання властивостей свідчить про можливість використання HEB як ефективної зміцнювальної фази у складі SiC-кераміки. Аналіз термодинамічної поведінки показав, що конфігураційна ентропія сприяє стабілізації багатокомпонентного твердого розчину при високих температурах. Встановлено, що за температури 2000 K енергетичний внесок електронної ентропії у повну вільну енергію становить близько 3,49 %, що підтверджує необхідність урахування електронної складової при оцінці високотемпературної стабільності тугоплавких високоентропійних боридів. Аналіз електронної структури та хімічного зв’язку показав, що між атомами перехідних металів і бору формується змішаний тип зв’язку з помітною ковалентною складовою. Напрямлена взаємодія між d-електронами перехідних металів і pелектронами бору є важливим чинником, що визначає високу твердість і жорсткість HEB. Показано, що елемент Nb сприяє посиленню напрямленої гібридизації зв’язку Me–B та загальної міцності міжатомного зв’язку. Це дозволяє краще пояснити природу високих механічних характеристик досліджуваного високоентропійного дибориду. Паралельно виконано теоретичну оцінку механічних властивостей карбіду кремнію як основної фази композиційного матеріалу. Встановлено, що SiC характеризується теоретичною твердістю за Віккерсом приблизно 31–33 ГПа та тріщиностійкістю близько 3,04 МПа∙м1/2. Порівняння властивостей SiC і HEB показало, що обидві фази мають високий рівень твердості, але відрізняються характером міжатомного зв’язку, кристалічною будовою та роллю у формуванні композитної мікроструктури. Додатково проведено першопринципні розрахунки для інтерфейсу SiC/HEB. Показано, що інтерфейс типу КМГ((К – C-термінована поверхня SiC; М – M-термінована поверхня HEB; Г – гексагональна конфігурація)) має найбільшу роботу адгезії Wad і є найбільш стабільною конфігурацією серед розглянутих моделей, що свідчить про можливість формування міцного міжфазного зв’язку між SiC і HEB. Експериментальне визначення евтектичного складу системи SiC–HEB виконано методом дугового плавлення. Було одержано композити різного складу та досліджено характер формування їх мікроструктури. Встановлено, що за складу 60SiC–40HEB, мол.%, формується протяжна, однорідна та дрібнодисперсна евтектична мікроструктура. Саме цей склад був визначений як близький до евтектичного і використаний для подальших досліджень методами спрямованої кристалізації та швидкісного гарячого пресування. Методом безтигельного зонного плавлення зі спрямованою кристалізацією отримано матеріали евтектичного складу SiC–HEB. Їх мікроструктура складається переважно з двох фаз – SiC та HEB – і має ламелярну будову. Включення високоентропійної боридної фази рівномірно розподілені по об’єму кристалу. За результатами мікроструктурного аналізу встановлено наявність виражених текстурних ознак, що пов’язано з напрямленим характером росту під час кристалізації. Показано, що збільшення швидкості кристалізації від 1 мм/хв до 3 мм/хв призводить до зменшення характерних розмірів другої фази та міжламелярної відстані. Така закономірність узгоджується з уявленнями про ріст евтектичних структур, згідно з якими підвищення швидкості росту сприяє подрібненню мікроструктури. Механічні випробування спрямовано закристалізованих матеріалів показали, що твердість за Віккерсом зростає зі структурним подрібненням і становить 22–25 ГПа. Тріщиностійкість KIC дорівнює 3,7±0,2 МПа∙м1/2. Підвищення тріщиностійкості пов’язане з дією кількох механізмів, зокрема відхиленням тріщин на міжфазних межах, розгалуженням тріщин, мостикуванням тріщин окремими структурними елементами та транскристалічним характером руйнування. Наявність двофазної ламелярної структури сприяє ускладненню траєкторії поширення тріщини, що забезпечує додаткове поглинання енергії руйнування. Крім того, методом швидкісного гарячого пресування виготовлено кераміку евтектичного складу SiC–HEB та досліджено вплив температури спікання в діапазоні 1800–2300 °C на фазовий склад, мікроструктуру та механічні властивості. Показано, що за температур спікання вище 1800 °C формується однорідна високоентропійна боридна фаза, яка виконує роль зміцнювальної складової. Матеріал після спікання переважно складається з двох фаз SiC та HEB. З підвищенням температури спікання відбувається збільшення розмірів фазових складових, а за температур вище 2100 °C спостерігається виражене огрубіння мікроструктури. Це може бути пов’язано з інтенсифікацією дифузійних процесів і ростом зерен при високих температурах. Механічні випробування спечених зразків показали загальну тенденцію до зниження твердості зі зростанням температури спікання. Максимальна твердість 23,75 ГПа досягається для зразків, спечених за температури 1800 °C. Тріщиностійкість змінюється немонотонно: спочатку вона зростає, а потім зменшується. Максимальне значення KIC, що становить 5,01 МПа∙м1/2, спостерігається для зразків, спечених за 1900 °C. Міцність на згин також має максимум для зразків, спечених за температури 1900 °C, і становить 670 МПа. Це свідчить про те, що саме при 1900 °C формується найбільш сприятливе співвідношення між щільністю, мікроструктурним станом, міжфазною взаємодією та механізмами гальмування тріщин. За даними синхронного термічного аналізу, що включає термогравіметричні та диференціально-сканувальні дослідження, встановлено, що формування високоентропійного бориду у складі композиту підвищує температуру початку окиснення з 586 °C до 650 °C. Крім того, швидкість приросту маси для спеченого зразка є нижчою, ніж для механічної суміші порошків. Це підтверджує покращення окиснювальної стійкості матеріалу після формування стабільної двофазної структури SiC–HEB. Отримані результати свідчать, що високоентропійна боридна фаза позитивно впливає не лише на механічні властивості, але й на високотемпературну хімічну стабільність композиту. Таким чином, у дисертаційній роботі реалізовано повний цикл дослідження системи SiC–HEB – від першопринципних розрахунків і визначення евтектичного складу до одержання матеріалів методами спрямованої кристалізації та швидкісного гарячого пресування. Встановлено основні закономірності формування фазового складу, мікроструктури та властивостей матеріалів системи SiC– (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2. Показано, що поєднання карбіду кремнію з високоентропійним диборидом дає змогу отримати двофазні керамічні матеріали з високою твердістю, підвищеною тріщиностійкістю, значною міцністю на згин та покращеною окиснювальною стійкістю. Отримані результати можуть бути використані для подальшого проєктування високотемпературних конструкційних, зносостійких і керамоматричних матеріалів на основі карбіду кремнію та високоентропійних боридів.
Опис
Ключові слова
кераміка, карбід кремнію, високоентропійний диборид, DFTмоделювання, мікроструктура, евтектична структура, спрямовано закристалізовані евтектичні сплави, зонне плавлення, швидкісне гаряче пресування, механічні властивості, термогравіметричний аналіз, ceramics, silicon carbide, high-entropy diboride, DFT modeling, microstructure, eutectic structure, directionally solidified eutectic alloys, zone melting, rapid hot pressing, mechanical properties, thermogravimetric analysis
Бібліографічний опис
Дуань Маньтан. Формування структури і властивостей сплавів системи SiC– (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2 : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Дуань Маньтан. – Київ, 2026. – 180 с.