Исследование структурных характеристик керамических реакционно-спеченных материалов на основе SiC–MoSi2 с применением аналитических подходов цифрового материаловедения

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Аннотация: в работе получены высокотемпературные композиционные материалы на основе реакционно спеченного карбида кремния, модифицированного молибденовой связкой. Определена микроструктура, фазовый состав и физико-механические свойства сформированных композитов. Экспериментально показано, что молибден в процессе реакционного спекания образует с расплавом кремния устойчивую фазу MoSi2 в объеме спекаемого керамического материала. Показано, что численные параметры лакунарности и хаотичности позволяют оценивать однородность структуры материала в прямой связи с варьированием технологических режимов синтеза керамик. Полученные композиты характеризуются плотностью порядка 3.02–3.16 г/см3 и прочностью при изгибе порядка 180–220 МПа.

Full Text

Restricted Access

About the authors

М. А. Марков

НИЦ «Курчатовский институт»

Email: barca0688@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

А. Н. Николаев

НИЦ «Курчатовский институт»

Email: barca0688@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

А. Г. Чекуряев

НИЦ «Курчатовский институт»; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: barca0688@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

М. М. Сычев

НИЦ «Курчатовский институт»; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Email: barca0688@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Д. А. Дюскина

НИЦ «Курчатовский институт»

Email: barca0688@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

А. Д. Быкова

НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей»

Author for correspondence.
Email: barca0688@mail.ru
Russian Federation, 191015, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49

А. Н. Беляков

НИЦ «Курчатовский институт»

Email: barca0688@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  1. Орданьян С. С., Вихман С. В., Ларенцева С. А., Смирнов В. В. Строение разреза SiC–MoSi2 в системе Mo-Si-C // Огнеупоры и техническая керамика. 2006. № 11. С. 2–5.
  2. Petrovic J. J. MoSi2-based high-temperature structural silicides // Mrs Bulletin. 1993. Т. 18. № 7. С. 35–41.
  3. Lysenkov A. S., Kim K. A., Titov D. D., Frolova M. G., Kargin Y. F., Petrakova N. V., Melnikova I. S. Composite material Si3N4/SiC with calcium aluminate additive // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2018. V. 1134. № 1. P. 012036. doi: 10.1088/1742-6596/1134/1/012036.
  4. Perevislov S. N., Lysenkov A. S., Titov D. D., Omkovich M. V., Nesmelov D. D., Markov M. A. Materials based on boron carbide obtained by reaction sintering // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2019. V. 525. № 1. P. 012074. doi: 10.1088/1757-899X/525/1/012074.
  5. Perevislov S. N., Tomkovich M. V., Lysenkov A. S. Silicon carbide liquid-phase sintering with various activating agents // Refractories and Industrial Ceramics. 2019. V. 59. P. 522–527. doi: 10.1007/s11148-019-00265-6.
  6. Markov M. A., Krasikov A. V., Kravchenko I. N., Erofeev M. N., Bykova A. D., Belyakov A. N. Development of novel ceramic construction materials based on silicon carbide for products of complex geometry // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2021. V. 50. № 2. P. 158–163. doi: 10.3103/S1052618821020096.
  7. Shevchenko V. Y., Kovalchuk M. V., Oryshchenko A. S., Perevislov S. N. New chemical technologies based on Turing reaction–diffusion processes // Chemistry. 2021. V. 496. № 2. P. 28–31. doi: 10.1134/S0012500821020038.
  8. Shevchenko V. Y., Perevislov S. N., Ugolkov V. L. Physicochemical interaction processes in the carbon (diamond)–silicon system // Glass Physics and Chemistry. 2021. V. 47. № 3. Р. 197–208. doi: 10.1134/S108765962103010X.
  9. Shevchenko V. Y., Perevislov S. N. Reaction–diffusion mechanism of synthesis in the diamond–silicon carbide system // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021. V. 66. № 8. Р. 1107–1114. doi: 10.1134/S003602362108026X.
  10. Carter D. H., Petrovic J. J., Honnel R. E., Gibbs W. S. SiC‐MoSi2 Composites // Ceramic Engineering and Science Proceedings. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons Inc. 1989. V. 10, № 9–10. P. 1121–1129.
  11. Kim D. P. Preparation of electrically conducting SiC/MoSi2 composites from metal mixtures of preceramic polymer // Materials research bulletin. 2001. V. 36. № 13–14. С. 2497–2505.
  12. Pan J., Surappa M. K., Saravanan, R. A., Liu B. W., Yang D. W. Fabrication and characterization of SiC/MoSi2 composites // Materials Science and Engineering: A. 1998. V. 244. № 2. С. 191–198. doi: 10.1016/S0921-5093(97)00553-4.
  13. Peng K., Yi M., Ran L., Ge Y. Reactive hot pressing of SiC/MoSi2 nanocomposites // Journal of the American Ceramic Society. 2007. Т. 90. № 11. С. 3708–3711. doi: 10.1111/j.1551-2916.2007.01971.x.
  14. Markov M. A., Ordanyan S. S., Vikhman S. V., Perevislov S. N., Krasikov A. V., Bykova A. D., Staritsyn M. V. Preparation of MoSi2–SiC–ZrB2 structural ceramics by free sintering // Refractories and Industrial Ceramics. 2019. V. 60. № 4. P. 385–388. doi: 10.1007/s11148-019-00372-4
  15. Belyakov A. N., Markov M. A., Kravchenko I. N., Kashtanov A. D., Dyuskina, D. A., Bykova, A. D., Chekuryaev A. G. Contemporary materials and their application in the construction of special engineering high-temperature objects // Refractories and Industrial Ceramics. 2024. V. 64. № 3. P. 256–264. doi: 10.1007/s11148-024-00835-3.
  16. Chen F., Xu J., Hou Z. In situ pressureless sintering of SiC/MoSi2 composites // Ceramics International. 2012. Т. 38. № 4. С. 2767–2772. doi: 10.1016/j.ceramint.2011.11.046.
  17. Han X., Wang Y., Xiong X., Li H., Chen Z., Sun W. Microstructure, sintering behavior and mechanical properties of SiC/MoSi2 composites by spark plasma sintering // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018. Т. 28. № 5. С. 957–965. doi: 10.1016/S1003-6326(18)64730-2.
  18. He Z., Li H., Shi X., Fu Q., Wu H. Formation mechanism and oxidation behavior of MoSi2–SiC protective coating prepared by chemical vapor infiltration/reaction // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Т. 23. . 7. С. 2100–2106. doi: 10.1016/S1003-6326(13)62702-8.
  19. He Z., Li H., Shi X., Fu Q., Wu H. Microstructure and oxidation resistance of SiC–MoSi2 multi-phase coating for SiC coated C/C composites // Progress in Natural Science: Materials International. 2014. Т. 24. № 3. С. 247–252. doi: 10.1016/j.pnsc.2014.05.005.
  20. Bezzi F., Burgio F., Fabbri P., Grilli S., Magnani G., Salernitano E., Scafe M. SiC/MoSi2 based coatings for Cf/C composites by two step pack cementation // Journal of the European Ceramic Society. 2019. Т. 39. № 1. С. 79–84. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.01.024.
  21. Wu H. M., Hu C. J., Chou Y. H. Preparation of SiC/MoSi2 composites by mechanical alloying and its fracture properties // Materials science forum. Trans Tech Publications Ltd, 2007. Т. 539. С. 1047–1052.
  22. Yang J. M., Jeng S. M. Interface and mechanical behavior of MoSi2-based composites // Journal of materials research. 1991. Т. 6. № 3. С. 505–513.
  23. Беляков А. Н., Марков М. А., Перевислов С. Н., Быкова А. Д., Дюскина Д. А., Чекуряев А. Г., Каштанов А. Д. Исследование зависимости прочностных характеристик керамики на основе карбида кремния от исходного содержания углерода // Новые огнеупоры. 2023. № 11. С. 31–35.
  24. Markov M. A., Belyakov A. N., Dyuskina D. A., Chekuryaev A. G., Bykova A. D., Perevislov S. N., Kashtanov A. D. Methods of forming geometrically complex manufactured products from silicon-carbide based, heat-resistant, ceramic materials // Glass and Ceramics. 2023. V. 80. № 7–8. P. 277–282. doi: 10.1007/s10717-023-00598-2.
  25. Гаршин А. П., Вильк Ю. Н. Влияние некоторых технологических параметров на формирование структуры материалов на основе реакционно-спеченного карбида кремния // Огнеупоры и техническая керамика. 1996. № 8. С. 2–8.
  26. Perevislov S. N., Markov M. A., Krasikov A. V., Bykova A. D. Effect of SiC dispersed composition on physical and mechanical properties of reaction-sintered silicon carbide // Refractories and Industrial Ceramics. 2020. V. 61. P. 211–215. doi: 10.1007/s11148-020-00458-4.
  27. Belyakov A. N., Markov M. A., Chekuryaev A. N., Bykova A. D., Duskina D. A., Perevislov S. N. Investigation of the reaction-sintered B4C–SiC materials produced by hot slip casting // Glass Physics and Chemistry. 2023. V. 49. № 3. P. 306–313. doi: 10.1134/S1087659623600060.
  28. Markov M. A., Vikhman S. N., Belyakov A. N., Dyuskina D. A., Kashtanov A. D., Perevislov S. N., Chekuryaev A. G., Bykova A. D. High-temperature bending tests of reaction-sintered silicon carbide-based ceramic materials // Russian Journal of Applied Chemistry. 2023. V. 96. № 1. P. 16–20. doi: 10.1134/S1070427223010032.
  29. Belyakov A. N., Markov M. A., Perevislov S. N., Dyuskina D. A., Chekuryaev A. G., Bykova A. D., Kashtanov A. D. Investigation of the structure and physicomechanical characteristics of reaction-sintered materials B4C-SiC // Refractories and Industrial Ceramics. 2023. V. 64. № 2 P. 67–70. doi: 10.1007/s11148-023-00806-0.
  30. Sychov M. M., Chekuryaev A. G., Bogdanov S. P., Kuznetsov P. A. Digital materials science: numerical characterization of steel microstructure // Research and Education: Traditions and Innovations. Inter-Academia. Lecture notes in networks and systems. 2021. V. 422. doi: 10.1007/978-981-19-0379-3_15.
  31. Вырикова А. Д. Цифровое материаловедение в интересах авиаиндустрии // Композитный мир. 2021. № 3(96). С. 22–23.
  32. Огородникова О. М. О проблемах интеграции вычислительного материаловедения в цифровое машиностроение // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2014. № 2(154). С. 30–34.
  33. Кочетов И. И. Национальные вызовы в цифровом материаловедении // Физическое материаловедение: сборник материалов XI международной школы, Тольяттинский государственный университет. 2023. С. 133–134.
  34. Shannon C. E. A mathematical theory of communication // The bell system technical journal. 1948. V. 27. № 3. P. 379–423. doi: 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x.
  35. Bormashenko E., Frenkel M., Vilk A., Legchenkova I., Fedorets A. A., Aktaev N. E., Dombrovsky L. A., Nosonovsky M. Characterization of self-assembled 2D patterns with voronoi entropy // Entropy. 2018. 20(12). P. 956. doi: 10.3390/e20120956.
  36. Schindelin J., Arganda-Carreras I., Frise E., Kaynig V., Longair M., Pietzsch T., Cardona A. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis // Nature Methods. 2012. V.9. № 7. P. 676–682. doi: 10.1038/nmeth.2019.
  37. Abramoff M. D., Magalhaes P. J., Ram S. J. Image processing with ImageJ // Biophotonics International. 2003. V. 11. № 7. P. 36–42.
  38. Massalski T. B., Okamoto H., Subramanian P. R., Kacprzak L. Binary alloy phase diagrams. Second edition. // ASM International, Materials Park, Ohio, USA. 1990. Т. 12. V. 3. 3589 p.
  39. Liu Y., Shao G., Tsakiropoulos P. Thermodynamic reassessment of the Mo-Si and Al-Mo-Si systems // Intermetallics. 2000. Т. 8. № 8. P. 953–962. doi: 10.1016/S0966-9795(00)00068-6.
  40. Barin I. Thermochemical data of pure substances. Third Edition // Weinheim: Wiley-VCH. 1995. 2003 p. doi: 10.1002/9783527619825.
  41. Dong P. Lacunarity for spatial heterogeneity measurement in GIS // Geographic Information Sciences. 2009. 6(1). P. 20–26. doi: 10.1080/10824000009480530.
  42. Козлов Г. В., Долбин И. В., Койфман О. И. Фрактальная модель усиления нанокомпозитов полимер/углеродные нанотрубки с ультрамалыми концентрациями нанонаполнителя // Доклад Академии наук. 2019. Т. 486, № 1. С. 39–43.
  43. Новиков Д. В. Самоорганизация кластеров фаз в однородно неупорядоченных полимерных композиционных материалах // Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 9. С. 1829–1833.
  44. Alinejadian N., Wang P., Kollo L., Prashanth K. G. Selective laser melting of commercially pure molybdenum by laser rescanning // 3D Printing and Additive Manufacturing. 2023. V. 10/ № 4. P. 785–791. doi: 10.1089/3dp.2021.0265
  45. Wu Y., Li M., Wang J., Wang Y., An X., Fu H., Zhang H., Yang X., Zou Q. Powder-bed-fusion additive manufacturing of molybdenum: process simulation, optimization, and property prediction // Additive Manufacturing. 2022. V. 58. Р. 103069. doi: 10.1016/j.addma.2022.103069.
  46. Rock C., Lara-Curzio E., Ellis B., Ledford C., Leonard D. N., Kannan R., Kirka M., Horn T. Additive manufacturing of pure Mo and Mo + TiC MMC alloy by electron beam powder bed fusion // The journal of the minerals. 2020. V. 72. Р. 4202–4213. doi: 10.1007/s11837-020-04442-8.
  47. Enneti R. K., Trasorras J. L., Kestler H. Additive manufacturing of tungsten, molybdenum, and cemented carbides // Additive Manufacturing processes, book chapter. 2020. doi: 10.31399/asm.hb.v24.a0006583.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Stages of production of ceramic materials (reaction sintering): a - silicon sprinkling of sample blanks before reaction sintering; b - sintered samples before sandblasting; c - sintered samples after sandblasting

Download (179KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffractogram of sintered samples of ceramics of compositions 2-5

Download (110KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of strength properties of ceramics of compositions 1-5 on porosity

Download (79KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Distribution of elements, structure in cross section, sample 2: a - thermal elemental map for silicon (SiC and Si correspondence); b - thermal elemental map for molybdenum (MoSi2 correspondence); c - general view of the structure

Download (192KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Increase of MoSi2 phase content upon introduction of molybdenum in reaction-cooked ceramic material: a - composition 2; b - composition 4; c - composition 5

Download (149KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Example of grain separation on a fragment of the structure (composition 2 ceramics)

Download (175KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Relationship between structural and strength characteristics of ceramics: a - dependence of bending strength on lacunarity on grains of all types; b - dependence of bending strength on lacunarity on grains of molybdenum disilicide

Download (79KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dependence of bending strength of ceramics on the Voronoi entropy parameter

Download (50KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Schematic of additive growth of SiC-Mo prototype

Download (84KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences