Анизотропия предела прочности при изгибе реакционно-горячепрессованной керамики LaB6–W2B5

Тугоплавкий композиционный керамический материал в системе LaB₆–W₂B₅ с соотношением компонентов  50 : 50 об.% был получен методом реакционного горячего прессования в графитовой пресс-форме. В качестве исходной реакционной смеси был использован предварительно подвергнутый вибрационному измельчению в течение 20 ч вольфрамовыми мелющими телами гетерофазный порошок, содержащий гексаборид лантана, металлический вольфрам и аморфный бор. Средний размер частиц измельченной смеси составлял 2,9 мкм. При температуре 1800 °С с изотермической  выдержкой в течение 15 мин при давлении прессования 30 МПа в среде аргона достигнута относительная плотность 92 %.  Методами рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа  исследованы структура и состав материала LaB₆–W₂B₅. Состав керамики представлен двумя фазами – кубическим гексаборидом лантана LaB₆ и гексагональным пентаборидом дивольфрама W₂B₅. Структура керамики характеризуется упорядоченным расположением пластинчатых частиц W₂B₅ в поликристаллической матрице LaB₆. В процессе реакционного  горячего прессования смеси LaB₆–W–B наблюдается преимущественный рост кристаллов W₂B₅ вдоль атомных плоскостей (101). Образующиеся при этом пластинчатые частицы W₂B₅ ориентированы в матрице LaB₆ перпендикулярно нагрузке  прессования. С использованием снимков, полученных с помощью электронной микроскопии, построена трехмерная визуализация структуры материала. Проведено измерение предела прочности образцов размерами 3×3×30 мм при трехточечном изгибе. Установлена зависимость предела прочности от направления приложенной разрушающей нагрузки.  При воздействии разрушающей нагрузки перпендикулярно поверхности пластинчатых частиц W₂B₅ предел прочности составляет 420 МПа, тогда как при нагружении вдоль плоскости частиц предел прочности возрастает до 540 МПа. Коэффициент анизотропии предела прочности составляет 0,78.

1. Levine J.B., Tolbert S.H., Kaner R.B. Advancements in the search for superhard ultra-incompressible metal borides. Adv. Funct. Mater. 2009. Vol. 19. No. 22. P. 3519—3533. DOI: 10.1002/adfm.200901257.

2. Akopov G., Pangilinan L.E., Mohammadi R., Kaner R.B. Perspective: Superhard metal borides: A look forward. APL Mater. 2018. Vol. 6. No. 7. Art. 070901. DOI: 10.1063/1.5040763.

3. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Sevastyanov V.G., Kuznetsov N.T. ZrB2 /HfB2—SiC ceramics modified by refractory carbides: An overview. Russ. J. Inorg. Chem. 2019. Vol. 64. No. 14. P. 1697—1725. DOI: 10.1134/ S0036023619140079.

4. Ordanyan S.S., Vikhman S.V., Nesmelov D.D., Danilovich D.P., Panteleev I.B. Nonoxide high-melting point compounds as materials for extreme conditions. Adv. Sci. Tech. 2014. Vol. 89. P. 47—56. DOI: 10.4028/www. scientific.net/AST.89.47.

5. Murthy T.S.R.C., Sonber J.K., Sairam K., Bedse R.D., Chakarvartty J.K. Development of refractory and rare earth metal borides & carbides for high temperature applications. Mater. Today: Proc. 2016. Vol. 3. No. 9. P. 3104— 3113. DOI: 10.1016/j.matpr.2016.09.026.

6. Murthy T.S.R.C., Sonber J.K., Sairam K., Majumdar S., Kain V. Boron-based ceramics and composites for nuclear and space applications: synthesis and consolidation. In: Handbook of advanced ceramics and composites: Defense, security, aerospace and energy applications. 2020. P. 703— 738. DOI: 10.1007/978-3-030-16347-1_22.

7. Shein I.R., Ivanovskii A.L. Band structure of ZrB2, VB2, NbB2, and TaB2 hexagonal diborides: comparison with superconducting MgB2. Phys. Solid State. 2002. Vol. 44. No. 10. P. 1833—1839. DOI: 10.1134/1.1514768.

8. Liu P.-F., Lu Z., Xiao Y.-G., Tang M.-H., Wang B.-T. Novel structures of two-dimensional tungsten boride and their superconductivity. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. Vol. 21. No. 28. P. 15327—15338. DOI: 10.1039/C9CP02727K.

9. Gabani S., Flachbart K., Siemensmeyer K., Mori T. Magnetism and superconductivity of rare earth borides. J. Alloys Compd. 2020. Vol. 821. Art. 153201. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.153201.

10. Scheifers J.P., Zhang Y., Fokwa B.P.T. Boron: Enabling exciting metal-rich structures and magnetic properties. Acc. Chem. Res. 2017. Vol. 50. No. 9. P. 2317—2325. DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00268.

11. Mori T. Thermoelectric and magnetic properties of rare earth borides: Boron cluster and layered compounds. J. Solid State Chem. 2019. Vol. 275. P. 70—82. DOI: 10.1016/j.jssc.2019.03.046.

12. Thalmeier P., Akbari A., Shiina R. Multipolar order and excitations in rare-earth boride Kondo systems. http:// arXiv:1907.10967 (2019).

13. Weng H., Zhao J., Wang Z., Fang Z., Dai X. Topological crystalline Kondo insulator in mixed valence ytterbium borides. Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 112. No. 1. Art. 016403. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.016403.

14. Mattox T.M., Urban J.J. Tuning the surface plasmon resonance of lanthanum hexaboride to absorb solar heat: A review. Materials. 2018. Vol. 11. No. 12. Art. 2473. DOI: 10.3390/ma11122473.

15. Mattox T.M., Coffman D.K., Roh I., Sims C., Urban J.J. Moving the plasmon of LaB6 from IR to near-IR via Eu-doping. Materials. 2018. Vol. 11. No. 2. Art. 226. DOI: 10.3390/ma11020226.

16. Yuan H., Zhang X., Li B., Li M., Shi Q., Wang Y., Li L. Size dependent optical properties of LaB6 nanoparticles enhanced by localized surface plasmon resonance. J. Rare Earths. 2013. Vol. 31. No. 11. P. 1096—1101. DOI: 10.1016/S1002-0721(12)60410-4.

17. Chen C.J., Chen D.H. Preparation of LaB6 nanoparticles as a novel and effective near-infrared photothermal conversion material. Chem. Eng. J. 2012. Vol. 180. P. 337—342. DOI: 10.1016/j.cej.2011.11.035.

18. Орданьян С.С. О закономерностях взаимодействия в системах LaB6—MeIV-VIB2. Неорган. материалы. 1988. Т. 24. No. 2. С. 235—238.

19. Кондрашов А.И. Взаимодействие гексаборида лантана с карбидами и боридами тугоплавких металлов. Порошк. металлургия. 1974. No. 11 (143). С. 58—60.

20. Орданьян С.С., Падерно Ю.Б., Хорошилова И.К., Николаева Е.Е., Максимова Е.В. Взаимодействие в системе LaB6—ZrB2. Порошк. металлургия. 1983. No. 11(87). С. 87—90.

21. Орданьян С.С., Падерно Ю.Б., Хорошилова И.К., Николаева Е.Е. Взаимодействие в системе LaB6—HfB2. Порошк. металлургия. 1984. No. 2 (254). С. 79—81.

22. Орданьян С.С., Падерно Ю.Б., Николаева Е.Е., Хорошилова И.К. Взаимодействие в системе LaB6—CrB2. Порошк. металлургия. 1984. Т. 257. No. 5. С. 64—66.

23. Лобода П.И., Кисла Г.П., Богомол И.И., Сысоев М.А., Карасевская О.П. Фазовые равновесия в системе LaB6—MoB2. Неорган. материалы. 2009. Т. 45. No. 3. С. 288—291.

24. Kysla G., Loboda P. Ceramic materials of the quasi-binary LaB6—MoB2 system. Process. Appl. Ceram. 2007. Vol. 1. No. 1—2. P. 19—22. DOI: 10.2298/PAC0702019K.

25. Kysla G.P., Loboda P.I., Geshmati L. Structure of the eutectic in the LaB6—ScB2 system. Powder Metall. Met. Ceram. 2014. P. 53. No. 7—8. P. 479—484. DOI: 10.1007/s11106-014-9640-0.

26. Орданьян С.С., Несмелов Д.Д., Вихман С.В. Взаимодействие в системе LaB6—W2B5. Неорган. материалы. 2009. Т. 45. No. 7. С. 1—4.

27. Taran A., Voronovich D., Oranskaya D., Filipov V., Podshyvalova O. Thermionic emission of LaB6—ZrB2 quasi binary eutectic alloy with different ZrB2 fibers orientation. Funct. mater. 2013. Vol. 20. No. 4. P. 485—488. DOI: 10.15407/fm20.04.485.

28. Paderno Y.В., Taran А.А., Voronovich D.А., Paderno V.N., Filipov V.В. Thermionic properties of LaB6—(Ti0,6Zr0,4)B2 material. Funct. Mater. 2008. Vol. 15. No. 1. P. 63. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/137229.

29. Berger M.H., Back T.C., Soukiassian P., Martinotti D., Douillard L., Fairchild S.B., Boeckl J.J., Filipov V., Sayir A. Local investigation of the emissive properties of LaB6— ZrB2 eutectics. J. Mater. Sci. 2017. Vol. 52. No. 10. P. 5537—5543. DOI: 10.1007/s10853-017-0816-0.

30. Yang X., Wang P., Wang Z., Hu K., Cheng H., Li Z., Zhang J. Microstructure, mechanical and thermionic emission properties of a directionally solidified LaB6—VB2 eutectic composite. Mater. Design. 2017. Vol. 133. P. 299—306. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.07.069.

31. Deng H., Dickey E.C., Paderno Y., Paderno V., Filippov V., Sayir A. Crystallographic characterization and indentation mechanical properties of LaB6—ZrB2 directionally solidified eutectics. J. Mater. Sci. 2004. Vol. 39. No. 19. P. 5987—5994. DOI: 10.1023/B:JMSC.0000041695.40772.56.

32. Bogomol I., Nishimura T., Vasylkiv O., Sakka Y., Loboda P. High-temperature strength of directionally reinforced LaB6—TiB2 composite. J. Alloys Compd. 2010. Vol. 505. No. 1. P. 130—134. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.05.003.

33. Volkova H., Filipov V., Podrezov Y. The influence of Ti addition on fracture toughness and failure of directionally solidified LaB6—ZrB2 eutectic composite with monocrystalline matrix. J. Eur. Ceram. Soc. 2014. Vol. 34. No. 14. P. 3399—3405. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.03.018.

34. Bogomol I., Nishimura T., Nesterenko Y., Vasylkiv O., Sakka Y., Loboda P. The bending strength tempera-ture dependence of the directionally solidified eutectic LaB6—ZrB2 composite. J. Alloys Compd. 2011. Vol. 509. No. 20. P. 6123—6129. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.02.176.

35. Paderno Y.B. A new class of «in-situ» fiber reinforced boride composite ceramic materials. In: Advanced multilayered and fibre-reinforced composites. Springer Netherlands, 1998. P. 353—369. DOI: 10.1007/978-94-007-0868-6_23.

36. Chen C.M., Zhang L.T., Zhou W.C. Characterization of LaB6—ZrB2 eutectic composite grown by the floating zone method. J. Cryst. Growth. 1998. Vol. 191. No. 4. P. 873—878. DOI: 10.1016/S0022-0248(98)00358-3.

37. Chen W.T., White R.M., Goto T., Dickey E.C. Directionally solidified boride and carbide eutectic ceramics. J. Amer. Ceram. Soc. 2016. Vol. 99. No. 6. P. 1837—1851. DOI: 10.1111/jace.14287.

38. Падерно Ю.Б., Падерно В.Н., Филиппов В.Б. Направленно-закристаллизованные керамические волокнисто-упрочненные боридные композиты. Огнеуп. техн. керам. 2000. No. 11. С. 2—7.

39. Bogomol I., Loboda P. Directionally solidified ceramic eutectics for high-temperature applications. In: MAX phases and ultra-high temperature ceramics for extreme environments. 2013. P. 303—322. DOI: 10.4018/978-1-4666-4066-5.ch010.

40. Deng H., Dickey E.C., Paderno Y. Interface crystallography and structure in LaB6—ZrB2 directionally solidified eutectics. J. Amer. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90. No. 8. P. 2603—2609. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2007.01812.x.

41. Soloviova T.O., Karasevska O.P., Loboda P.I. Structure, residual stresses and mechanical properties of LaB6— TiB2 ceramic composites. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. No. 7. P. 8677—8683. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.01.189.

42. Падерно Ю.Б., Падерно В.Н., Филиппов В.Б., Мильман Ю.В., Мартыненко А.Н. Особенности структурообразования эвтектических сплавов боридов d- и f-переходных металлов. Порошк. металлургия. 1992. Т. 356. No. 8. С. 73—80.

43. Min G.H., Gao R., Yu H.S., Han J. Mechanical properties of LaB6—ZrB2 composites. Key Eng. Mater. 2005. Vol. 297. P. 1630—1638. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.297-300.1630.

44. Spring A., Guo W.M., Zhang G.J., Wang P.L., Krstic V.D. Fabrication and characterization of ZrB2-based ceramic using synthesized ZrB2—LaB6 powder. J. Amer. Ceram. Soc. 2008. Vol. 91. No. 8. P. 2763—2765. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02509.x.