Искровое плазменное формирование высокотемпературной кислородно-резистентной композитной керамики на основе карбида кремния с высокими механическими и теплофизическими свойствами

Одной из актуальных задач современного материаловедения является разработка материалов, способных сохранять высокие механические и теплофизические свойства при высокотемпературной эксплуатации в кислородной атмосфере. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют керамические материалы на основе тугоплавк карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Однако ряд недостатков, присущих керамическим материалам (низкая трещиностойкость, низкое сопротивление к термоудару и т.д), а также относительно высокая стоимость технологии и оборудования сдерживают их широкое применение. Решение этой задачи может быть найдено в области формирования многокомпонентной керамики, состоящей из базовой матрицы с внедренными армирующими частицами. По ряду свойств в качестве такой матрицы может выступить карбид кремния, а армирующим его материал могут быть нанонити SiC, углеродные нанотрубки, углеволокно, удлиненные частицы тугоплавких боридов и др. Основными каналами поступления в объем керамики реакционных газов, способствующих ее деградации в процессе эксплуатации, являются система открытых пор и межзеренные границы (МЗГ). Поэтому актуальным является поиск таких соединений, внесение которых на уровне единиц % на начальном этапе спекания приводит к формированию н МЗГ жидкой фазы, способствующей эффективному уплотнению системы. При дальнейшем спекании взаимодействие жидкой фазы с материалом керамической матрицы должно приводить к формированию на МЗГ высокотемпературно фазы, препятствующей дальнейшей взаимодиффузии компонент. При этом должна сохраняться композитная структур керамики, обеспечивающая высокие эксплуатационные характеристики в условиях воздействия высокой температур и окислительной атмосферы. Конечные свойства композитной керамики определяются не только составом композиций, но и условиями синтеза. Поэтому при разработке новых керамических материалов исключительно важно иметь в своем распоряжении технологию и оборудование, позволяющие максимально широко управлять режимами синтеза. Наиболее полно Заявка № 23-29-00052 Страница 2 из 26 условию вариативности действующих факторов удовлетворяет динамично развивающаяся технология искрового плазменного спекания (spark plasma sintering, SPS), при использовании которой компактирование, спекание и синтез материала происходит в едином цикле при одновременном воздействии на материал температуры, одноосного давления и мощных токовых импульсов. Принципиальным отличием технологии SPS является возможность эффективного управления микроструктурой, составом и свойствами синтезируемых материалов. SPS синтез характеризуется минимальной длительностью высокотемпературной фазы технологического цикла и снижением интегральной температуры синтеза, что способствует достижению полной плотности без существенного роста зерен то же время, пропускание через синтезируемый материал мощных униполярных и биполярных токовых импульсов способствует активации твердофазных диффузионных процессов и газофазных микроплазменных физико- химических реакций. Малая длительность высокотемпературной фазы процесса спекания также способствует сохранению исходного стехиометрического состава, что особенно важно при спекании сложных систем, состоящих компонентов с сильно различающимися теплофизическими свойствами (температура плавления, температура кипени температура разложения и т.д.). Это позволяет получить в квазизамкнутом объеме экстремальные условия, открывающие возможности для создания новых, ранее недоступных, композиционных материалов с субмикронным или наноразмерным зерном и уникальными свойствами. Научная новизна исследований, предполагаемых в рамках настоящего проекта заключается в том, что при выборе исходных компонентов керамики, составов порошковых композиций и режимов их спекания особое внимание будет уделено формированию на межзеренных границах бездефектных химически стойких интерфейсов с с температурными коэффициентами расширения (ТКР) близким к ТКР зерен и минимальной газопроницаемостью.