УДК 666.3-135:66.091.3:620.187

Т. О. Пріхна^1, *, П. П. Барвіцький¹, М. В. Карпець², І. П. Фесенко¹, В. Є. Мощіль¹, А. С. Локаткіна¹, В. В. Білорусець¹, С. С. Пономарьов¹, Б. Бюхнер³, В. М. Колодніцький¹, М. Руцький⁴,  Е. С. Геворкян⁴, А. А. Марченко^1
1Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, Україна
²Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, м. Київ, Україна
³Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung, Dresden, Germany
⁴Сasimir Pulaski Radom University, Radom, Poland
*prikhna@ukr.net

Вплив додавання SiC на структуру, механічні властивості та теплопровідність композитів на основі HfB₂ (стор. 3-14)

Досліджено вплив порошкоподібної добавки SiC (b-SiC, з середнім розміром зерен 5–10 мкм гіперкубічного габітусу, з наближеною стехіометрією SiC_1,5 згідно з SEM EDX) у кількості 10–50 % (за масою) на структуру, механічні властивості та теплопровідність ультрависокотемпературних композитів на основі HfB₂, одержаних в умовах гарячого пресування (під тиском 30 МПа за температури 1950 °С). Додавання SiC у кількості 10 % (за масою) практично не приводило до зниження теплопровідності у порівнянні зі значеннями, наведеними в літературі для однофазного HfB₂. Для композита HfB₂–10 % (за масою) SiC теплопровідність становила 117–128 Вт/(м×К). У разі додавання більшої кількості SiC (20–50 % (за масою)) спостерігали деяке зниження теплопровідності до 82–96 Вт/(м×К), але підвищення концентрації SiC у даних межах практично не впливало на теплопровідність. У разі збільшення кількості SiC у діапазоні від 10 до 30 % (за масою) спостерігали збільшення кристалографічних параметрів a i c у HfB₂ та параметра a у SiC, а також об’ємів елементарних комірок обох фаз. Подальше збільшення кількості SiC до 40 % (за масою) приводить до різкого зменшення кристалографічних параметрів обох фаз та об’ємів елементарних комірок. Крім фаз HfB₂ та b-SiC у композитах з додаванням 20–40 % (за масою) b-SiC формується фаза Hf(B,C) у кількості 3–7 % (за масою), а в зразках з додаванням 40 % (за масою) b-SiC спостерігали ще й формування фази 6H-SiC. Результати дослідження карт розподілу елементів методом Оже-спектроскопії показали, що в спечених зразках композитів HfB₂–SiC формуються тверді розчини. Збільшення концентрації b-SiC у шихті з 10 до 30 % (за масою) приводить до монотонного зростання мікротвердості та тріщиностійкості спечених композитів: H_V(9,8 Н) = 23,6±1,8 ГПа, K_Ic = 4,0±0,5 МПа×м^0,5 у разі додавання 10 % (за масою) SiC; H_V(9,8 Н) = 27,7±4,1 ГПа, K_Ic= 4,3±0,8 МПа×м^0,5 у разі додавання 20 % (за масою) SiC; H_V(9,8 Н) = 38,6±10,7 ГПа, K_Ic=7,7±1,0 МПа×м^0,5 у разі додавання 30 % (за масою) SiC. Додавання більшої кількості SiС приводить до зменшення твердості та тріщиностійкості: HV(9,8 Н) = 27,7±3,7 ГПа, K_Ic=5,0±0,5 МПа×м^0,5 у разі додаванні 40 % (за масою) SiC.

Ключові слова: ультрависокотемпературні композити HfB₂–SiC, гаряче пресування, мікротвердість, тріщиностійкість, теплопровідність.

 

УДК 536.21:546.271:544.183.2

B. S. Rao, E. Kishor*
School of Mechanical Engineering, VIT-AP University, Beside AP Secretariat, Amaravati, Andhra Pradesh, India
*kishor.e@vitap.ac.in, kishoreshwar@gmail.com

Порівняльне дослідження теплофізичних властивостей кубічних структур BC₃ за допомогою атомістичного моделювання (стор. 15-26)

Досліджено три кубічні структури BC₃ (c-BC₃) з різною щільністю зв’язків бор–бор (B–B) для прогнозування їхніх теплофізичних властивостей за допомогою атомістичного моделювання. Для оцінки термічної поведінки цих структур застосовано метод молекулярної динаміки. Було прогнозовано, що c-BC₃ є надтвердим матеріалом і розглянуто його як потенційний кандидат для використання в якості матеріалу для різального інструменту в процесах механічної обробки. Крім того, завдяки наявності бору, c-BC₃ може слугувати перспективним матеріалом для уповільнювачів у ядерній енергетиці. Очікується, що як у процесах механічної обробки, так і у разі застосування в ядерній енергетиці робоча температура матеріалу суттєво зростатиме. Тому ефективне розсіювання тепла є критично важливим, оскільки недостатня теплопередача може призвести до виникнення локальних зон перегріву (хот-спотів), що негативно вплине на твердість та інші структурні властивості. Прогнозовано значення теплопровідності й питомої теплоємності трьох структур c-BC₃ з метою вивчення впливу щільності зв’язків B–B на їхні термічні характеристики. Отримані результати дозволяють глибше зрозуміти роль зв’язків B–B у керуванні процесами теплопередачі в c-BC₃, що є визначальним для його потенційного застосування в умовах високих температур і механічних напружень.

Ключові слова: зв’язок B–B, питома теплоємність, теплопровідність, молекулярна динаміка.

 

УДК 620.22-621.921.34:539.422.25

В. A. Мечник^1, *, Б. Т. Ратов^2, **, Е. С. Геворкян³, М. О. Бондаренко¹, В. М. Колодніцький^1, ***, С. П. Старик¹, Д. Л. Коростишевський¹, А. Е. Куттибаєв², Г. К. Ахмедьянова^4
1Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, Україна
²НАО “Казахський національний дослідницький технічний університет ім. К. І. Сатпаєва”, м. Алмати, Республіка Казахстан
³Український державний університет залізничного транспорту, м. Харків, Україна
⁴Торайгиров університет, м. Павлодар, Республіка Казахстан
*vlad.mechnik2019@gmail.com
**ratov.bt@gmail.com
***vasylkolod56@gmail.com

Вплив спільної дії добавок ZrO₂ і Al₂O₃ на структуру і зносостійкість композиційних матеріалів С_алмаз‒(Fe‒Cr‒Cu‒Ni‒Sn), виготовлених методом іскро-плазмового спікання (стор. 27-44)

Досліджено структуру і зносостійкість композиційних алмазовмісних матеріалів на основі Fe‒Cr‒Cu‒Ni‒Sn-матриць з різним вмістом діоксиду цирконію (ZrO₂) і корунду (Al₂O₃), виготовлених методом іскро-плазмового спікання. Встановлено, що додавання до складу композита 6,25С_алмаз‒(24,375Fe‒ 23,4375Cr‒30Cu‒8,4375Ni‒7,5Sn) добавок ZrO₂ і Al₂O₃ у концентраціях = 4 % і = 1 % приводить до зменшення зносу ваги на одиницю довжини шляху ков-зання (зносу за вагою W_R) від (34,74±2,91) 10^–4 г/м до (23,81±2,41) 10^–4 г/м і швидкості зносу об’єму в часі (швидкості зносу за об’ємом W_V) від (57,14±4,51)·10^–11 м³/с до (37,44±3,74)∙10^–11 м³/с відповідно. Подальше підвищення концентрації добавок ZrO₂ і Al₂O₃ підсилює цей ефект. Композит 6,25С_алмаз‒(24,375 Fe‒23,4375Cr‒30Cu‒ 8,4375Ni‒7,5Sn), що містить добавку ZrO₂ і Al₂O₃ у кількості = 10 % і = 6 %, забезпечує майже п’ятикратне підвищення зносостійкості. Показано, що підвищення зносостійкості досліджуваних композитів, що містять добавки ZrO₂ і Al₂O₃, досягнуто завдяки більш рівномірного розподілу компонентів, утворення стійкого залізохровмісного каркаса в металевій матриці навколо алмазних зерен та дисперсійного зміцнення матриці твердими й міцними оксидними фазами. На підвищення зносостійкості і покращення алмазоутримання композитів 6,25С_алмаз‒(24,375Fe‒23,4375Cr‒30Cu‒8,4375Ni‒7,5Sn), що містять добавки ZrO₂ і Al₂O₃, впливає утворення навколо алмазних зерен стійких вторинних структур із продуктів зносу.

Ключові слова: композиційний алмазовмісний матеріал, діоксид цирконію, корунд, матриця, структура, фазовий склад, тертя, зносостійкість.

 

УДК 666.3:621.762.5:539.89

Hong Shi¹, Jieqi Zhang¹, Fuguan Peng¹, Peicheng Mo^2, *
¹Jiangxi Polytechnic University, Jiujiang, P.R. China
²China Nonferrous Metals (Guilin) Geology and Mining Co., Ltd., Guilin, Guangxi, P.R. China
*2393707540@qq.com

Мікроструктура та властивості композитів на основі ZrB₂, синтезованих безпосередньо в процесі реакційного спікання під високим тиском (стор. 45-57)

Досліджено порошки Zr та B₄C, які використовували як сировину для виготовлення композитів на основі ZrB₂ методом реакційного спікання безпосередньо в процесі дії високого тиску та високої температури (HPHT). Систематично досліджено вплив змінного вмісту Zr (3–4 моль) на мікроструктуру, щільність, механічні властивості та електропровідність матеріалів. Рентгенофазовий аналіз показав, що після спікання Zr повністю вступає в реакцію з B₄C з утворенням ZrB₂ та ZrC. Мікроструктурний аналіз вказує на те, що розмір зерен ZrB₂ збільшується завдяки збільшення вмісту Zr і демонструє чіткі межі зерен та рівномірний розподіл. Процес HPHT значно підвищив щільність матеріалу та дозволяє досягти мінімальної (0,31 %) пористості завдяки вмісту Zr на рівні 4 моль. Випробування механічних властивостей показали, що композит із 3,6 моль Zr продемонстрував оптимальні загальні характеристики: твердість за Віккерсом досягла 21,6±0,9 ГПа, міцність на вигин – 611±15 МПа, а в’язкість руйнування – 6,22±0,3 МПа·м^1/2. Надлишок Zr (4 моль) спричинив огрубіння зерен, що призвело до незначного зниження механічних властивостей. Випробування на електропровідність показали, що провідність матеріалу покращується зі збільшенням вмісту Zr і досягає максимуму 7,8×10⁴ См/см (Zr = 4 моль). Це дослідження доводить, що метод HPHT дозволяє ефективно отримувати високощільні високопродуктивні композити на основі ZrB₂ і пропонує новий підхід до підготовки ультрависокотемпературної кераміки.

Ключові слова: висока температура і тиск, реакція безпосередньо під час синтезу, ультрависокотемпературна кераміка, ZrB₂.

 

УДК 681.3:532.5

О. О. Єфремов^{1, 2}, О. Б. Логінова^1, *
¹Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, Україна
²Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, м. Київ, Україна
*pol@ism.kiev.ua

Динаміка стадій розтікання й змочування рідинами поверхні твердої фази за повного змочування (стор. 58-71)

Показано можливість полегшеного варіанту методу ґраток Больцмана у рамках двовимірної моделі (Lattice Boltzmann Method, 2D-LBM) за допомогою створеного оригінального пакету програм виконати моделювання процесів кінетики розтікання й змочування рідинами поверхні твердих тіл в умовах повного змочування. Моделювання дозволило детально описати стадії кінетики розтікання й кінетики змочування твердої фази, а також кінетику зміни висоти краплі від часу за повного та майже повного змочування, охопити діапазон рівноважних крайових кутів 0–10°, який фактично є “експериментальною сліпою зоною”, де точні вимірювання залишаються недосяжними. Проаналізовано геометрію первинного та вторинного шарів, що випереджають краплю в процесі її розтікання по твердій поверхні, показано ключову роль впливу градієнта лапласівського тиску на нюанси кінетики розтікання – виникнення вихорів поблизу лінії трифазного контакту, зміна показників степеня в законі розтікання, еволюцію мікропотоків усередині краплі та її вплив на процес руху контактної лінії вздовж поверхні. Проведено зіставлення розрахованої динаміки начальної стадії розтікання крапель з експериментом по змочуванню водою поверхні а-С:Н-плівок після плазмохімічної обробки, що дозволило оцінити значення модельного кроку за часом у реальних одиницях, верифікувати деякі існуючі моделі розтікання та підтвердило можливості 2D-LBM для моделювання процесів контактної взаємодії між рідиною та твердим тілом. Показано, що застосований метод моделювання динаміки стадій розтікання й змочування рідинами поверхні твердої фази за повного змочування добре та з високою роздільною здатністю за часом відтворює фізику процесу та забезпечує розуміння прихованих нюансів поведінки рідини на поверхні твердої фази в умовах складної контактної взаємодії між рідиною та твердою фазою, які відбуваються у мезоскопічному масштабі, де використання традиційних експериментальних методів неможливе.

Ключові слова: метод ґраток Больцмана у рамках двовимірної моделі (2D-LBM), а-С:Н-плівка, кінетика розтікання, кінетика змочування, зіставлення з експериментом, первинний та вторинний шари, моделі розтікання, режими розтікання.

 

УДК 621.923.7

Ю. Д. Філатов, В. І. Сідорко, С. В. Ковальов, С. П. Старик
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, Україна
*filatov2045@gmail.com

Закономірності утворення нальоту і локалізації його фрагментів на оброблюваній поверхні під час полірування деталей оптотехніки з міді (стор. 72-83)

В результаті дослідження закономірностей полірування міді за допомогою дисперсної системи з мікро- та нанопорошків метаборату міді з дисперсним середовищем у вигляді гасу, встановлено, що знімання оброблюваного матеріалу відбувається шляхом видалення наночастинок шламу (квантових точок Cu₂O-QDs), емерджентні властивості яких відрізняються від властивостей об’ємної фази міді, зі швидкістю 17,7 10^–13 м³/с, яка добре узгоджуються з даними експериментального визначення продуктивності полірування, що складала 0,9 мг/хв, або 4,4 мкм/год, або 16,8 10^–13 м³/с за відхилення 5 %. Під час вивчення закономірностей взаємодії наночастинок шламу і наночастинок зносу полірувального порошку в проміжку між поверхнями деталі та притира, показано, що в центрі полірованої поверхні утворюється наліт у вигляді плями діаметром 5 мм і товщиною 15,0±5,0 мкм. Вивчення мікроструктури нальоту показало, що на поверхні ділянок, які складаються з частинок полірувального порошку і продуктів зносу притира, спостерігали фрагменти з наночастинок шламу і наночастинок зносу полірувального порошку, елементний склад яких свідчить, що вони сформовані з оксиду міді й метаборату міді. Встановлено, що ці наночастинки збираються в компактні мікроскопічні структури розмірами 50´75 мкм² і 100´150 мкм². Показано, що для запобігання утворенню нальоту з наночастинок шламу і наночастинок зносу на поверхні деталі, необхідно, щоб товщина проміжку між поверхнями деталі і притира не перевищувала 2,74 мкм, що досягається автоматично за використання класичного методу формоутворення оптичних поверхонь під час полірування деталей оптотехніки з міді.

Ключові слова: полірування, мідь, метаборат міді, емерджентні властивості наночастинок, наліт.

 

УДК 621.9.025.77:615.46:616.728

Є. О. Пащенко, С. В. Сохань*, Г. А. Петасюк, Г. Д. Ільницька, Д. О. Савченко, Н. В. Єльцов
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, Україна
*svsokh@gmail.com

Ефективність алмазного мікропорошку з покриттям нікелем під час доведення керамічних куль у магнітному полі (стор. 84-98)

Для умов прецизійного доведення керамічних куль з карбіду бору алмазним мікропорошком з покриттям нікелем у магнітному полі вивчено змінювання точності форми й шорсткості поверхні керамічні куль з карбіду бору, а також еволюцію складу порошку і його питомої магнітної сприйнятливості, морфометричних характеристик алмазних зерен з часом доведення. Показано нелінійний характер зменшення інтегральних параметрів шорсткості поверхні й непостійності діаметра куль. Змінювання інших параметрів шорсткості вказує на тенденцію до стійкого зменшення висоти виступів на фоні наявності надмірно глибоких западин поверхні. Змінювання морфометричних характеристик алмазних зерен свідчить про інтенсивне налаштування абразивної системи на стабільний процес на першому етапі доведення включно з дробленням або зношуванням зерен з прискореною втратою покриття. Сформульовано вимоги до якості таких мікропорошків.

Ключові слова: керамічні кулі з карбіду бору, алмазне доведення в магнітному полі, непостійність діаметра, шорсткість поверхні куль, алмазний мікропорошок, покриття нікелем, морфометричні характеристики алмазних зерен, питома магнітна сприйнятливість порошку.

 

УДК 621.921.343

Д. А. Стратійчук^1, *, Н. М. Білявина², В. З. Туркевич¹, C. П. Старик¹, Я. М. Романенко, Є. В. Шевель^3
1Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля, НАН України, м. Київ, Україна
²Київський національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ, Україна
³Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, Україна
*d_strat@ukr.net

Роль гафнію під час реакційного спікання у системі сBN(Al)–HfO₂–Hf_тв. (стор. 99-101)

В умовах високих р, Т-параметрів розглянуто процеси твердофазного спікання композита BL-групи у системі cBN(Al)–HfO₂–Hf_тв., де кількість Hf становить 30 % (об’ємом). Показано, що за вибраних НРНТ-параметрів (тиску 7 ГПа та температурі 2250 °С) мікропорошок гафнію проявляє хімічну активність по відношенню до cBN та Al з утворенням бориду HfB₂ і нового інтерметаліду HfA_0,7 зі структурою типу NaCl.

Ключові слова: високі тиски, cBN-кераміка BL-групи, XRD- та EDS-аналізи, твердофазне спікання, гафній.

 

УДК 539.89:536.652:546.18

V. L. Solozhenko^1, *, C. Lathe^2
1LSPM–CNRS, Université Sorbonne Paris Nord, Villetaneuse, France
²GFZ Helmholtz Centre for Geosciences, Potsdam, Germany
*vladimir.solozhenko@univ-paris13.fr

Про плавлення фосфору з примітивною кубічною ґраткою під тиском (стор. 102-105)

Плавлення фосфору з примітивною кубічною ґраткою досліджували за тисків 9–13 ГПа за допомогою синхротронної енергодисперсійної рентгенівської дифракції у пресі великого об’єму. Отримана крива плавлення має позитивний нахил 93(6) К/ГПа, що є суттєво нижчим за раніше опубліковану інформацію про нахил плавлення – 300(90) К/ГПа.

Ключові слова: фосфор, плавлення, високий тиск, висока температура.

 

УДК 669.018.25

М. М. Прокопів
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, Україна
*mprokopiv70@gmail.com

Деякі особливості формування нової фази W_2,3ТіС_2,6 у структурі твердого сплаву Т5К10 (стор. 106-109)

Представлено результати мікроструктурного і ренгенофазового аналізів структури зразка твердого сплаву Т5К10 після рідкофазового спікання у спеціальних термокінетичних умовах і додаткового твердофазового відпалювання у вакуумі впродовж 7 год. Отримано нову фазу W_2,3ТіС_2,6, яка має видовжену форму і присутня у шарі зразка тільки на глибині від 15 до 40 мкм від його поверхні, її вміст зменшується, а форморозмір стабілізується зі збільшенням глибини.

Ключові слова: твердий сплав, відпал, нова фаза, структура, шар.