Дослідження механічних властивостей композитних керамік SiC – TiC

Abstract

Серед широкого ряду сучасних високоефективних матеріалів для екстремальних умов використання карбід кремнію займає особливе місце. Ці матеріали не мають найбільші твердість, зносостійкість, теплостійкість і інші властивості, але вони близькі до цих значень і вартість цих матеріалів значно менше вартості матеріалів з найкращими властивостями. Відомо також, що застосування нанопорошків значно знижує параметри спікання та покращує фізичні та механічні характеристики більшості відомих матеріалів, але у такому випадку кінцева вартість наноматеріалів одночасно значно підвищується. До того ж у разі широкого використання нанопорошків для отримання промислових партій виробів необхідно мати великі партії нанопорошків виробництва різних (окрім Китаю) компаній. Тому метою цієї роботи було дослідження спікання матеріалів на основі карбіду кремнію з мікрометричних порошків методом електроконсолідації при температурах до 2000 оС, тиску 45 МПа і з часом витримки до 45 хвилин. Було встановлено, що додавання до 4 0% порошку карбіду титану до карбіду кремнію приводить до зменшення поруватості композитів з ~30 % до практично безпоруватого стану, твердість при цьому значно збільшувалась до 21,5 ГПа, а тріщиностійкість збільшувалась від 2,9 до 6,1 МПа*м 0,5. Підвищення температури електроконсолідації з 1900 оС до 2000 оС призводить до підвищення твердості композиту на 30 % , а подовження часу витримки з 30 хвилин до 45 хвилин призводить до зниження як тріщиностійкості, так і твердості матеріалу.Among the wide range of modern high-performance materials intended for extreme operating conditions, silicon carbide occupies a special position. Although these materials do not exhibit the absolute highest values of hardness, wear resistance, thermal stability, and other properties, they approach them closely while remaining significantly more cost-effective than materials with superior characteristics. It is also well known that the use of nanopowders substantially reduces sintering parameters and improves the physical and mechanical properties of most known materials; however, in such cases, the final cost of nanomaterials increases markedly. Furthermore, large batches of nanopowders from various manufacturers (other than China) would be required for large-scale industrial production, which complicates their widespread use. Therefore, the aim of this work was to study the sintering behavior of silicon-carbide-based materials produced from micrometer-sized powders by the method of electroconsolidation at temperatures up to 2000 °C, under a pressure of 45 MPa, and with holding times up to 45 minutes. It was established that the addition of up to 40 wt% titanium carbide powder to silicon carbide leads to a reduction in composite porosity from approximately 30% to an almost fully densified state. At the same time, hardness increased significantly to 21.5 GPa, and fracture toughness improved from 2.9 to 6.1 MPa·m⁰·⁵. Increasing the electroconsolidation temperature from 1900 °C to 2000 °C resulted in a 30% increase in composite hardness, whereas extending the holding time from 30 to 45 minutes caused a decrease in both fracture toughness and hardness.