Мікрохвильове спікання нанокомпозитів TiN–Si₃N₄, сформованих за типом “шахівниці” та зміцнених нановолокнами

Анотація

Запропоновано принцип мікроструктурного проєктування композиційних наноматеріалів для мікрохвильового спікання шляхом формування їх структури за принципом “шахівниці”. Завдяки розподіленню монофазних та композиційних наночастинок і нановолокон за принципом “шахівниці” в суміші та формуванню комбінованої мікроструктури композиційних порошкових матеріалів в системі TiN–Si₃N₄ з компонентів, що суттєво відрізняються глибиною проникнення мікрохвиль в об’єм, в співвідношенні ~50 : 50 можна значно підвищити ефективність процесу консолідації в електромагнітному полі мікрохвильового діапазону. Ефективність вказаних принципів підтверджена отриманням високощільних (з відносною густиною ~99%) композиційних наноматеріалів у системі TiN–Si₃N₄ та зміцнених нановолокнами композитів. Консолідацію композитів TiN–Si₃N₄, сформованих за типом “шахівниці”, проведено в мікро­хвильовій печі з частотою 2,45 ГГц в протоці азоту до Т = 1500 °С. Були використані in situ суміші плазмохімічних порошків TiN–40% (мас.) Si₃N₄ і TiN–20% (мас.) Si₃N₄ з введеними механічним змішуванням добавками 7 і 20% (мас.) нановолокон нітриду кремнію, заздалегідь покритих нітридом титану. Аналіз мікроструктури композита TiN–40% (мас.) Si₃N₄ виявив зростання зерен нітриду титану до 100–200  нм, в той час як зерна нітриду кремнію залишилися на рівні 30–50 нм. Це свідчить про переважне поглинання електромагнітної енергії мікрохвильового діапазону частинками нітриду титану та його саморозігрів. Механічні властивості нанокомпозита TiN–40% (мас.) Si₃N₄ склали: HV = 21,2 ± 0,5 ГПа і K_Ic = 4,9 МПа · м^1/2. Зміцнення композитів волокнами нітриду кремнію, поверхня яких вкрита шаром нітриду титану, сприяє росту тріщиностійкості до 5,5 МПа · м^1/2 при твердості ~20 ГПа. Збільшення кількості нановолокон Si₃N₄ з 7 до 20% (мас.) не позначилося на зростанні механічних характеристик композиційного матеріалу, що свідчить про необхідність визначення оптимального вмісту нановолокон нітриду кремнію в композиті