Предложен новый метод получения керамоматричного композиционного материала на основе карбида кремния, упрочненного дискретными углеродными волокнами и монокристаллическими нановолокнами карбида кремния. В зависимости от макрокинетических характеристик процесса горения на поверхности углеродных волокон могут формироваться диффузионные слои, керамические частицы карбида кремния либо нановолокна карбида кремния диаметром 10-50 нм и длиной 15-20 мкм. Исследована стадийность химических превращений и структурообразования в волне горения смесей Si-C-C 2 F 4 и Si-C-C 2 F 4 -Та. Выращенные в волне горения нановолокна карбида кремния имели высокую кристалличность и бездефектную границу раздела TaSi 2 /SiC. Разориентировка решеток на границе раздела составляет порядка 6 %. Нановолокна релаксируют механические напряжения во время роста за счет вращения вокруг своей оси, совпадающей с направлением роста. Оптимальная температура горения для роста нановолокон карбида кремния составляет 1700 К при соотношении C 2 F 4 : C = 2 в реакционной смеси. Нижний порог роста нановолокон карбида кремния определяется снижением выхода реакционно-способных фторидов, тогда как более высокий порог обусловлен отказом механизма блокировки адсорбции на поверхности нановолокон и дестабилизацией капли TaSi 2 + Si. Горячим прессованием получены дискретно армированные углеродными волокнами и нановолокнами карбида кремния композиты с керамической матрицей SiС-TaSi 2 , имеющие относительную плотность 98 %, твердость 19 ГПа, прочность на изгиб 420 МПа, трещиностойкость 12,5 МПа•м 1/2 . Установлено увеличение прочности границы раздела «углеродное волокноматрица», в результате которого вытягивание углеродных волокон из матрицы в значительной степени подавляется.Ключевые слова: СВС, керамические композиты, карбид кремния, углеродные волокна, нановолокна.Воротыло С. -аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП) Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) «МИСиС» (119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4).

The paper focuses on obtaining a heterophase powdered and sintered ceramics based on hafnium diboride and silicon carbide by combined self-propagating high-temperature synthesis (SHS) and hot pressing (HP). The structure of the synthesized SHS powder consists of hafnium diboride grains and agglomerated polyhedral 2–6 μm silicon carbide grains. The powders obtained had an average particle size of ~10 μm with a maximum value of 30 μm. Phase compositions were identical for the ceramics sintered by hot pressing and the synthesized powder. The resulting compact featured by a high degree of structural and chemical uniformity, porosity of 3.8 %, hardness of 19.8±0.4 GPa, strength of 597±59 MPa, and fracture toughness of 8.8±0.4 MPa·m1/2. Plasma torch testing (PTT) was carried out to determine the oxidation resistance under the influence of a high-enthalpy gas flow. The phase composition and surface microstructure of the compact after testing were investigated. The HP compact demonstrated an outstanding resistance to the high-temperature gas flow at 2150 °С and heat flow density of 5.6 MW/m2 for 300 s. A dense protective oxide layer 30–40 μm thick was formed on the surface of HfB2–SiC ceramics during the plasma torch testing. The layer consisted of a scaffold formed by HfO2 oxide grains with a space between them filled with SiO2–B2O3 amorphous borosilicate glass. The HfB2–SiC SHS composite powder was hot pressed to produce experimental samples of model bushings for the combustion chamber of a low thrust liquid rocket engine designed for PTT in the environment close to actual operating conditions.

Методом времяразрешающей дифракции (TRXRD) изучено влияние скорости нагрева смеси Mg + 2B на динамику фазо-образования при тепловом взрыве в среде гелия. Показано, что фаза MgB 2 появляется без формирования промежуточных соединений. Существенным фактором, влияющим на кинетику образования MgB 2 , является наличие примесного кисло-рода. При скорости нагрева шихтовой смеси 150-200 °С/мин оксидная пленка на поверхности частиц магния не успевает сформироваться, в результате чего реакция Mg + 2B = MgB 2 протекает по механизму реакционной диффузии сразу после расплавления магния. Продукты синтеза состоят преимущественно из MgB 2 и следов MgO на уровне 5 %. Температура теплового взрыва составляет 1100 °С. При скорости нагрева 30-50 °С/мин на поверхности магния вырастает сравнительно толстая оксидная пленка, которая тормозит растекание расплава и сдвигает на 8-9 с начало реакции образования MgB 2 . Продукты синтеза содержат MgB 2 и до 15 % MgO. Температура теплового взрыва в этом случае составляет 1020 °С. Dynamics of phase formation during synthesis of magnesium diboride from elements in thermal explosion modeThe paper uses the method of time-resolved X-ray diffraction (TRXRD) and studies the effect of Mg + 2B mixture heating rate on the dynamics of phase formation during thermal explosion in helium environment. It was shown that MgB 2 phase occurs with no intermediate compounds formed. The presence of impurity oxygen is a significant factor affecting MgB 2 formation kinetics. There is no sufficient time for oxide film formation on magnesium particle surfaces at the charge mixture heating rate of 150-200 °C/min, and thus Mg + 2B = MgB 2 reaction proceeds by a mechanism of reaction diffusion immediately upon magnesium melting. Synthesis products are mostly composed of MgB 2 and traces of MgO at the level of 5 %. The temperature of thermal explosion is 1100 °C. At the heating rate of 30-50 °C/min, a relatively thick oxide layer grows on the magnesium surface, which inhibits melt spreading and shifts the beginning of MgB 2 formation reaction by 8-9 s. Synthesis products contain MgB 2 and up to 15 % of MgO. The temperature of thermal explosion is 1020 °C.Keywords: Magnesium diboride, thermal explosion, time-resolved X-ray diffraction, oxide layer.

Работа посвящена получению по гибридной технологии (самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) + + горячее прессование) компактной керамики ZrB 2-SiC-(MoSi 2), а также изучению ее фазового состава, структуры и кинетики высокотемпературного окисления. Реакционные смеси готовили по следующей схеме: механическое активирование (МА) порошков Si + C; мокрое смешение порошков Zr, B и МА-смеси Si + C; сушка смесей в сушильном шкафу. В реакторе в режиме горения путем элементного синтеза получен композиционный СВС-порошок ZrB 2-SiC. Методом горячего прессования СВС-порошка получены компактные образцы, характеризующиеся однородной структурой и низкой остаточной пористостью, не превышающей 1,3 %. Для испытаний были выбраны два состава: первый, рассчитанный на образование ZrB 2 + 25 % SiC; второй аналогичен первому, но с добавкой 5 % готового порошка MoSi 2. Микроструктура образцов представлена дисперсными темно-серыми округлыми зернами SiC, распределенными среди светлых ограненных зерен ZrB 2. Образец с добавкой MoSi 2 имеет более мелкодисперсную структуру. В результате высокотемпературного окисления образцов при температуре 1200 °C на их поверхности формируются комплексные оксидные пленки SiO 2-ZrO 2-(B 2 O 3) толщиной порядка 20-30 мкм, служащие эффективным диффузионным барьером и снижающие скорость окисления. В их структуре после длительных выдержек (более 10 ч) также присутствует сложный оксид ZrSiO 4. Кроме того, после 10 ч испытаний наблюдается незначительная убыль массы образцов, что обусловлено улетучиванием газообразных продуктов окисления (B 2 O 2 , CO/CO 2 , MoO 3). Образец с добавкой MoSi 2 продемонстрировал лучшую стойкость к окислению. Ключевые слова: диборид циркония, карбид кремния, горячее прессование, кинетика, окисление, структура. Яцюк И.В.-аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП), инженер НУЦ СВС МИСиС-ИСМАН (119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4).

No abstract