ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Карбід бору є цікавим матеріалом для індивідуальних бронежилетів, але його низька в'язкість призводить до руйнування та аморфізації, що обмежують його широке використання. Атоми Al і Si в дифузійно легованому карбіді бору зменшують цю проблему. Встановлено проходження реакції заміщення в порошках карбіду бору парами Al і Si у вакуумі. Методи сертифікації: хімічний аналіз, повно-профільний РФА (Powder Cell for Windows 2.4 FREE, W. Kraus & G. Nolze) та розрахунок формули у форматі 15-атомної елементарної комірки B₁₂(C–C–C) тригональної сингонії, просторової групи R3 ̅m, Z = 3. Суміш порошків бору карбіду, алюмінію або силіцію термічно обробляли у вакуумі при умовних температурах випаровування Al (1520 K) або Si (1640 K) протягом 1–5 год. Зразки очищали лугом і аналізували арбітражним хімічним аналізом на бор, карбон, алюміній та силіцій. Формульний склад вхідних порошків карбіду бору визначено як B₁₂[(C-В-C)_n (C-C-C)_1-n], де n = 0.4–0.6. Реакція заміщення алюмінію відбувається в обох типах ланцюгів карбіду бору і відповідає формулі B₁₂(C-Al-C) або AlB₁₂C₂. В присутності силіцію реакція відбувалася виключно в положеннях три-карбонових ланцюгів. Формула отриманого твердого розчину з порошку складу B₁₂[(C-B-C)_0,4(C-C-C)_0,6] відповідає - B₁₂[(C-B-C)_0.4(C-Si-C)_0.6]. Відсутність фаз силіцидів бору, таких як SiB₃ (SiB_2.89), SiB₆, SiB_n (n ≈ 23), свідчить про більшу стійкість ланцюгів C–B-C до взаємодії з паро-подібним Si. Вміст Al і Si в заміщених фазах дорівнює 13.3 і 4 (% ат.), відповідно. Виміряно еквівалентні молярні кількості Al₈B₄C₇ і SiC газо-нано-фазного походження в продуктах реакції з пароподібними Al і Si. Встановлено область толерантності структури карбіду бору у форматі середньої питомої електро-негативності ланцюжків (χ_N-Sh/r_ai), що знаходиться в діапазоні значень: 2.79 ≥ ССС ≥ СВС ≥ CSiC ≥ ВВС ≥ 2.18 одиниць (χ_N-Sh/r_ai).

Stachin J.D., Pyzik A., Carrol D., Prunier A., Allen T. Boron Carbide Aluminum Cermet is for Pressure Housing Applications. (RDT&E Division, San Diego, California 92152-5000, Technical Report 1574, 1992).

Ghasali E., Alizadeh M., Ebadzadeh T., hossein Pakseresht A., Ranbari A. Investigation on microstructural and mechanical properties of B4C-aluminum matrix composites prepared by microwave sintering. J. Mater. Res. Technol. 2015. 4(4): 411. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2015.02.005

Pramono A., Kommel L., Kollo L., Veinthal R. The Aluminum Based Composite Produced by Self-Propagating High Temperature Synthesis. Mater. Sci. (Medziagotira). 2016. 22 (1): 1392. https://doi.org/10.5755/j01.ms.22.1.7500

Zhao Q., Liang Yu., Zhang Zh., Li Xi., Ren L. Microstructure and Dry-Sliding Wear Behavior of B4C Ceramic Particulate Reinforced Al 5083 Matrix Composite. Metals. 2016. 6(227): 1. https://doi.org/10.3390/met6090227

Wu S., Xiao G., Xue L., Xue L., Zhai M., Zhu W. Solid reaction between Al and B4C. Can. Metall. Q. 2015. 54(2): 247. https://doi.org/10.1179/1879139514Y.0000000178

Patent US US 8,030,234 B2. Pyzik A.J., Newman R.A., Chartier M.A., Wetzel A.M., Haney C.N. Int - Classification5 C043 35/563 (2006-01), C04B 35/58 (2006-01). Aluminum boron carbide composite and method ti form said composite. 2011.

Patent US 5,039,633. Int. Cl.5 - C22C 29/04. US - Cl. 501/93; 75/ 244. Pyzik A.J., Nilsson R.T. B4C/Al cermets and method for making same. 1991.

Khan A.U., Etzold A.M., Yang Xi., Domnich V., Xie K.Y., Hwang Ch., Behler K.D., Chen M., An Q., LaSalvia J.C., Hemker K.J., Goddard W.A., Haber R.A. Locating Si atoms in Si-Doped Boron Carbide: a Route to Understand Amorphization Mitigation Mechanism. Acta Mater. 2018. 157(11): 1. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.07.021

Xiang S., Ma L., Yang B., Dieudonne Y., Pharr G.M., Lu J., Yadav D., Hwang C., LaSalvia J.C., Haber R.A., Hemker K.J., Xie K.Y. Tuning the deformation mechanisms of boron carbide via silicon doping. Sci. Adv. 2019. 5(10): 0352. https://doi.org/10.1126/sciadv.aay0352

Domnich V., Reynaud S., Haber R.A., Chhowalla M. Boron Carbide: structure; properties; and stability under stress. J. Am. Ceram. Soc. 2011. 94(11): 3605. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04865.x

Tvergaard V., Hutchinson J.W. Microcracking in Ceramics Induced by Thermal Expansion or Elastic Anisotropy. J. Am. Ceram. Soc. 1988. 71(3): 157. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1988.tb05022.x

Ordanyan S.S., Nesmelov D.D., Ovsienko A.I. Phase formation in the process of reaction sintering of B4C-SiC-Si (Al) composites. Refract. Ind. Ceram. 2017. 12: 42. [in Russian]. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2017-12-42-48

Muratov V.B., Mazur P.V., Garbuz V.V., Vasiliev O.O. Ceramics based on AlB12C2. In: National Technical University of Ukraine "Igor Sicorskyi Kyiv Polytechnic Institute" - 2018. Int. Sams. Conf. (Kyiv, 2018). P 109. [in Ukraine].

Vasiliev O., Muratov V., Mazur P., Bily V., Karpets M., Bekenev V., Garbuz V., Khomko T., Kartuzov V. Silicon in Inter icosahedra Chains of Boron Carbide. J. Eur. Ceram. Soc. 2022. 42(13): 5512. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.05.056

Patent UA, IPC (2016.01), C01B 35/04 (2016.01). Mazur P.V., Muratov V.B., Garbuz V.V., Kartuzov E.V., Vasiliev O.O. Method for obtaining AlB12 aluminum dodecaboride powder. 2016.

GOST 5744-85. Boron carbide grinding materials. Technical conditions. https://rosstandart.msk.ru/gost/001.025.100.070/gost-5744-85/. [in Russian].

GOST 26564.1-85. Silicon carbide refractory materials and products. Determination of silicon carbide. - Test methods. - Part 2. 2004.

GOST 26327-84. Grinding materials from silicon carbide technical conditions. 1994.

Dubok V.A., Kornilova V.I., Pechentkovskaya L.E., Yukhimenko E.V., Kabannik G.T., Garbuz V.V., Omelchenko G.Z. Improvement of methods of chemical analysis of refractory compounds and metal alloys. (Kyiv: Scientific Opinion, 1988).

Garbuz V.V., Bega M.D., Petrova V.A., Suvorova L.S., Kuzmenko L.M., Shatskikh S.K. Study of oxidation of industrial powders of boron carbide by methods of chemical analysis. Powder metall. 2014. 7/8: 151. [in Ukrainian].

Garbuz V.V., Kuzmenko L.M., Suvorova L.S., Petrova V.A., Silinskaya T.A., Shatskikh S.K. Quantitative determination by the method of selective oxidation of free carbon nanoforms in boron carbide powders. Powder metall. 2016. 1/2: 50. [in Russian]. https://doi.org/10.1007/s11106-016-9777-0

Garbuz V.V., Zakharov V.V., Muratov V.B., Symanovsky A.P., Derenovskaya N.A., Kuzmenko L.N., Galadzhii O.F., Shatskikh S.K. Distribution of catalyst components in products of plasma-arc synthesis of carbon nano-structured materials. Material Science of Nanostructures. 2006. 1: 74. [in Russian].

Garbuz V.V., Petrova V.A., Yakovlev A.V., Nuzhda S.V., Kovtun V.I. Evaluation of the composition of products of shock wave sintering of SWS in the system: nano-TiN-BNsf. Material Science of Nanostructures. 2008. 2/4: 98. [in Russian].

Korogly Ah., Derek P. Thompson Production of AlB12, AlB24C4, AlB12C2 and Al3B48C2 powders in vacuum. J. Eur. Ceram. Soc. 2012. 32: 3501. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.04.032

Noorizadeh S., Shakerzadeh Eh. A New Scale of Electronegativity Based on Electrophilicity Index. J. Phys. Chem. A. 2008. 112(15): 3486. https://doi.org/10.1021/jp709877h

Vainshtein B.K., Frydkin V.M., Indebom V.L. Modern crystallography. The structure of crystals V. 2. (Moscow: Nauka, 1979). [in Russian].

Day K., Selbin D. Theoretical inorganic chemistry. (Moscow: Chemistry, 1976). [in Russian].

Konovalykhin S.V., Ponomarev V.I. Carbon in boron carbide. Crystal structure of B11.4C3.6. J. Inorg. Chem. 2009. 54(2): 229. [in Russian]. https://doi.org/10.1134/S0036023609020053