Анотація до роботи:

Анотація. Попов О.Ю. Формування структури та коефіцієнт тріщиностійкості композиційних керамічних матеріалів з ультрадисперсними включеннями вуглецю. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07. Фізика твердого тіла. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.

Проведене комплексне експериментальне дослідження гарячепресованих матеріалів системи ТіВ₂-ТіС- В₄С при температурі 2100⁰С та тискові 30 МПа. Показано, що гаряче пресування порошків ТіС та В₄С в строго визначеному атомному співвідношенні (2:1) в інтервалі температур 1800⁰СТ2150⁰С під тиском 20 – 40 МПа призводить до формування нової фази ТіВ₂ із включенням до її складу ультрадисперсних кластерів вуглецю. Формування структури ТіВ₂ – С пояснене протіканням процесу квазіевтектичного плавлення компонент системи ТіС – В₄С в локальних місцях їх контакту, яке супроводжується хімічною реакцією утворення бориду титану в рідкому сильно переохолодженому стані, що призводить до наступної надшвидкої кристалізації цієї сполуки із включенням до її складу кластерів вуглецю.

Розроблено загальний підхід до прогнозування коефіцієнту тріщиностійкості та енергії руйнування матричних композитів із урахуванням геометрії фронту тріщини, а саме можливості прогину фронту між місцями затримки, за допомогою якого показано, що як низькомодульні включення (які відіграють роль пор, затуплюючи вістря тріщини), так і включення із вищим ніж у матриці модулем Юнга можуть зміцнювати матеріал. Причому оптимальний розмір низькомодульного включення (або пори) має бути меншим, а високомодульного – більшим за розмір зерна матриці.

Ключові слова: тріщиностійкість, композиційні матеріали, крихке руйнування, кераміка..

1. Розроблено метод та режими формування композиційного керамічного матеріалу на основі карбіду та бориду титану, що характеризується одночасно високими значеннями мікротвердості (Н_v » (22±1)ГПа) та коефіцієнта тріщиностійкості (К_1С = (9 ± 0.5)МПам^1/2).

2. Показано, що гаряче пресування порошків ТіС та В₄С в строго визначеному молярному співвідношенні (2:1) в інтервалі температур 1800⁰СТ2150⁰С під тиском 20 – 40 МПа призводить до формування нової фази ТіВ₂ з дрібнодисперсними вуглецевими включеннями. При протіканні вказаного процесу в умовах високого вмісту ТіС кінцева структура складається із фази ТіВ₂ з включеннями вуглецю та залишкового карбіду титану. В протилежному випадку (при наявності зайвого В₄С) кінцева структура буде включати залишковий карбід бору.

3. Формування структури ТіВ₂ – С пояснюється протіканням процесу квазіевтектичного плавлення компонент системи ТіС – В₄С в локальних місцях їх контакту, яке супроводжується протіканням хімічної реакції утворення бориду титану в рідкому сильно переохолодженому стані, що призводить до подальшої надшвидкої кристалізації цієї сполуки із включенням до її складу кластерів вуглецю.

4. Розроблено теоретичну модель, що дозволяє оцінити енергетичні витрати, необхідні для видовження фронту тріщини внаслідок його вигинання між перешкодами та розрахувати ефективну енергію руйнування та коефіцієнт тріщиностійкості композиційного матеріалу із структурою типу матриця – включення.

Аналіз процесу поширення тріщини в середині двохфазного керамічного композиту за допомогою представленої моделі дозволяє оцінити критичні параметри прогину фронту тріщини між стопорами перед остаточним руйнуванням матеріалу та залежність цих параметрів (стріли прогину та радіусу кривизни) від фізико-механічних характеристик фаз композиту та співвідношення між розмірами зерен матриці та включень.

5. Застосування представленої моделі до аналізу процесів руйнування поруватого матеріалу із урахуванням можливості затримки порою тріщини внаслідок затуплення її вістря дозволило врахувати можливість руйнування матеріалу поза порою шляхом обходу без просування затупленої ділянки фронту. Таким чином створено методику оцінки впливу пор та низькомодульних включень (які вважалися “заповненими порами”) на ефективні механічні характеристики кераміки. Показано, що найбільш ефективними щодо підвищення тріщиностійкості композиту будуть округлі включення (пори), розмір яких є в 10 – 50 разів меншим за розмір зерна матричної фази.

6. Застосування уявлень про вигинання фронту тріщини між стопорами до оцінки впливу високомодульних включень на ефективні механічні характеристики матеріалу дозволило розглядати включення цього типу як стопори навіть в тому випадку, коли енергія руйнування відповідної фази нижча за енергію руйнування матриці та пояснити відомі факти зміцнення матеріалів шляхом введення в них зерен менш міцних фаз.

7. Встановлено, що залежність величини коефіцієнту тріщиностійкості композитів системи ТіВ₂ – ТіС – С від вмісту вільного вуглецю має екстремальний характер із максимумом К_1С = (9.0 ± 0.5)МПам^1/2 при вмісті вуглецю ~ 9 об’ємних %. Одержане значення є одним з найвищих серед відомих безоксидних керамік.

8. Теоретичні розрахунки коефіцієнту тріщиностійкості композитів системи ТіВ₂ – ТіС – С, проведені із використанням представленої методики добре корелюють із експериментальними значеннями відповідних механічних характеристик даного матеріалу, підтверджуючи можливість підвищення тріщиностійкості кераміки шляхом введення в неї округлих ультрадисперсних низькомодульних включень.

Публікації автора:

1. Попов О.Ю., Казо І.Ф., Макара В.А., Халіпов А.М. Визначення рівня внутрішніх мікронапружень в керамічних композиціях. Вісник Київського університету, серія: фізико-математичні науки, вип. 4, 2001, С. 463 - 465.

2. I.F.Kazo, A. Yu. Popov. Mechanical properties of TiB₂ – TiC – C^* ceramic materials // Functional Materials. – 2002. – №3. – Р. 503 – 506.

3. Popov O.Yu., Kazo I.F., Makara V.A. Two phase composite destruction energy estimating model // Functional Materials. – 2005. – Vol. 12, №3. – Р. 432 – 436.

4. Popov O.Yu., Kazo I.F., Makara V.A. Biphasic ceramic material fracture toughness calculation // Functional Materials. – 2006. – Vol. 13, №1. – Р. 26 – 29.

Перелік посилань

1. Быков А.И., Гриднева И.В. Взаимодействие карбида бора с карбидами титана и циркония под давлением // Порошковая металлургия. – 1998. – №1/2. – С.52 – 55.

2. Григорьев О.Н., Прилуцкий Э.В., Трунова Е.Г., Козак И.В. Структура и свойства керамики на основе баридов вольфрама, титана и карбида бора // Порошковая металлургия. – 2002. – №3/4. – С.35 – 40.

3. Ленг Ф.Ф. Композиционные материалы. – М.: Наука, 1978. – 484 с.

4. Ивженко В.В. Исследование физико-механических свойств горячепрессованных материалов на основе Si₃N₄ и TiN // Сверхтвердые и тугоплавкие материалы. – К.: Наукова думка, 1985. – С. 34 – 41.

5. Щуров А.Ф., Ширяев А.М., Коткис А.М. Вязкость разрушения хрупких материалов // Прикладные проблемы прочности и пластичности. – Горький, 1981. – С. 108 – 113.

6. Газиров Р.Я. Прогнозирование критического коэффициента интенсивности напряжений для зернистых композитов // Моделирование процессов деформирования и разрушения твердых тел. – Свердловск, 1987. – С.81 – 85.

7. Орданьян С.С., Унрод. Исследование механических свойств горячепрессованных материалов системы TiC – TiB₂ // Высокотемпературные бориды и силициды. – К.: Наукова думка, 1982. – С. 54 – 58.

8. Макаренко Г.Н., Марек Э.В. Легирование В₄C титаном, цирконием и гафнием в присутствии углерода // Высокотемпературные карбиды. – К.: Наукова думка, 1975. – С. 165 – 169.