RU2653182C2 - Ceramic nanostructured material based on silicon nitride and method of its production - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to process for production of a nanostructured ceramic material based on silicon nitride Si₃N₄, modified by carbon. Material can be used for the manufacture of plates for bulletproof vests, as well as various components of products requiring increased hardness and crack resistance. High hardness and crack resistance is achieved by modifying the grain boundaries of silicon nitride with carbon. In this case, all of the carbon is distributed along the grain boundaries. Production method involves grinding silicon nitride with fullerene in a planetary mill to obtain an average particle size of 20 nm. This results in coating of nanograins Si₃N₄ with fullerene monolayer. Resulting silicon nitride nanopowder with fullerene is sintered at a pressure of 1-5 GPa at a temperature of 1100-1850°C.

EFFECT: technical result of invention is to increase hardness and crack resistance of a ceramic material based on silicon nitride.

2 cl, 3 dwg, 1 tbl, 5 ex

Description

Translated fromRussian

1. Область техники1. The technical field

Изобретение относится к способу получения керамического материала на основе нитрида кремния Si₃N₄, в частности, модифицированного углеродом и обладающего высокой твердостью и трещиностойкостью. Материал может быть использован для изготовления пластин для бронежилетов, а также различных компонент изделий, требующих повышенную твердость и трещиностойкость.The invention relates to a method for producing a ceramic material based on silicon nitride Si₃ N₄ , in particular, modified with carbon and having high hardness and crack resistance. The material can be used for the manufacture of plates for body armor, as well as various components of products that require increased hardness and crack resistance.

2. Предпосылки для создания изобретения2. Background to the invention

Известно (Veprek S. // J. Vac. Sci. Technol. A. - 1999. - 17. - C. 2401), что размер зерна керамического материала существенно влияет на его механические свойства. На сегодняшний день существует множество доказательств того, что большой размер зерна (более 0,1 мкм) является причиной спонтанных микротрещин, плохих механических свойств, в частности низкой износостойкости. В связи с этим ведутся работы по снижению размера зерна в керамических материалах до субмикронного или нанометрового уровня.It is known (Veprek S. // J. Vac. Sci. Technol. A. - 1999. - 17. - C. 2401) that the grain size of a ceramic material significantly affects its mechanical properties. Today, there is a lot of evidence that a large grain size (more than 0.1 microns) is the cause of spontaneous microcracks, poor mechanical properties, in particular low wear resistance. In this regard, work is underway to reduce the grain size in ceramic materials to a submicron or nanometer level.

Переход к наноразмерному состоянию увеличивает удельную поверхность материала, при этом масса материала остается неизменной. С точки зрения физико-химических процессов, которые могут происходить с керамическим материалом, возрастает удельная реакционная способность, называемая также активностью вещества. Известно, что уменьшение размера зерна снижает вероятность образования микротрещин. Известно, что существенное влияние на свойства материала оказывает структура границ зерен. В литературе (О.Л. Хасанов, Э.С. Двилис, З.Г. Бикбаева. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий / Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 212 с.) граница зерен определяется как переходная область между двумя совершенными однофазными кристаллами (или зернами) с разной кристаллографической ориентацией, которые находятся в контакте друг с другом. Термин «межзеренная граница» соответствует термину «межкристаллитная граница». Поскольку «зерна» являются «кристаллами», более точным был бы термин «межкристаллическая граница» или «межкристаллитная граница». Граница между одинаковыми фазами называется гомофазной внутренней границей раздела, а граница между различными фазами - гетерофазной внутренней границей раздела (или межфазной границей). Таким образом, граница зерен представляет собой гомофазную внутреннюю границу раздела. Границы зерен представляют собой разупорядоченные (по сравнению с соседними зернами) двумерные дефекты, толщина которых не превышает нескольких межатомных расстояний (0,5-1 нм). Из-за большой структурной проницаемости границ энергия активации процесса диффузии по границам зерен, как правило, существенно меньше объемной, а перенос атомов происходит на несколько порядков быстрее, чем в объеме совершенного кристалла.The transition to the nanoscale state increases the specific surface of the material, while the mass of the material remains unchanged. From the point of view of physicochemical processes that can occur with ceramic material, the specific reactivity increases, also called the activity of the substance. It is known that a decrease in grain size reduces the likelihood of microcracks. It is known that the structure of grain boundaries has a significant effect on the properties of the material. In the literature (O. L. Khasanov, E. S. Dvilis, Z. G. Bikbaeva. Methods of compaction and consolidation of nanostructured materials and products / Tomsk: Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2008. - 212 p.) The grain boundary is defined as transition region between two perfect single-phase crystals (or grains) with different crystallographic orientations that are in contact with each other. The term “grain boundary” corresponds to the term “grain boundary”. Since “grains” are “crystals”, the term “intercrystalline boundary” or “intercrystalline boundary” would be more precise. The boundary between the same phases is called the homophase internal interface, and the boundary between the various phases is called the heterophase internal interface (or interphase). Thus, the grain boundary is a homophasic internal interface. The grain boundaries are disordered (compared to neighboring grains) two-dimensional defects whose thickness does not exceed several interatomic distances (0.5-1 nm). Due to the large structural permeability of the boundaries, the activation energy of the diffusion process along the grain boundaries is, as a rule, significantly less than the bulk, and atom transfer occurs several orders of magnitude faster than in the bulk of a perfect crystal.

Аналогами данного изобретения являются следующие патенты, описывающие спекание Si₃N₄ с помощью жидкой фазы, расположенной по границам зерен нитрида кремния: US patents 4071371 (31.01.1978, С04В 35/58), 4073845 (14.02.1978, С04В 33/32, С04В 35/58), 4205033 (27.05.1980, С04В 35/58), 4376652 (15.03.1983, С04В 35/58, С04В 35/04), 4407970 (04.10.1983, С04В 35/50, С04В 35/58), 4457958 (03.07.1984, B05D 3/02), 4596781 (24.06.1986, С04В 35/02, С04В 35/58), 5110772 (05.05.1992, С04В 35/48), 5240658 (31.08.1993, С04В 35/58), 5366941 (22.11.1994, С04В 35/54, С04В 35/56), 5552353 (03.09.1996, С04В 35/565, С04В 35/584), 5603877 (18.02.1997, С04В 35/584), и WO 2013/171324 (21.11.2013, С04В 35/593). Основные особенности отмеченных аналогов удобно просуммировать, воспользовавшись таблицей, представленной в работе (Branko

Low Temperature Sintering Additives for Silicon Nitride. Dissertation an der

Stuttgart. Bericht Nr. 137. August 2003). В таблице 1 представлены добавки, применяемые для спекания Si₃N₄ и температуры плавления добавок в чистом виде и в присутствии Si₃N₄.Analogues of the present invention are the following patents describing the sintering of Si₃ N₄ using a liquid phase located at the grain boundaries of silicon nitride: US patents 4071371 (01/31/1978, С04В 35/58), 4073845 (02/14/1978, С04В 33/32, С04В 35/58), 4205033 (05.27.1980, С04В 35/58), 4376652 (03.15.1983, С04В 35/58, С04В 35/04), 4407970 (04.10.1983, С04В 35/50, С04В 35/58 ), 4457958 (07/03/1984,B05D 3/02), 4596781 (06/24/1986, С04В 35/02, С04В 35/58), 5110772 (05/05/1992, С04В 35/48), 5240658 (08/31/1993, С04В 35/58), 5366941 (11.22.1994, С04В 35/54, С04В 35/56), 5552353 (09/03/1996, С04В 35/565, С04В 35/584), 5603877 (02/18/1997, С04В 35/584) , and WO 2013/171324 (11/21/2013, C04B 35/593). It is convenient to summarize the main features of the noted analogues by using the table presented in (Branko

Low Temperature Sintering Additives for Silicon Nitride. Dissertation an der

Stuttgart. Bericht Nr. 137. August 2003). Table 1 presents the additives used for sintering Si₃ N₄ and the melting point of the additives in pure form and in the presence of Si₃ N₄ .

Отметим, что свойства наилучших образцов Si₃N₄, спеченных по методам, описанным в отмеченных выше аналогах, следующие: твердость по Викерсу не превышает 23 ГПа (для сравнения, твердость кристаллического Si₃N₄ 35 ГПа) и трещиностойкость К_1C не превышает 10 МПа√м.Note that the properties of the best Si₃ N₄ samples sintered according to the methods described in the above analogues are as follows: Vickers hardness does not exceed 23 GPa (for comparison, crystalline Si₃ N₄ hardness 35 GPa) and crack resistance K_1C does not exceed 10 MPa√m.

Известны технические решения (US 2004/0029706 (12.02.2004, C04B 35/52) [1] и WO 2014/149007 (25.09.2014, С04В 35/587)), в которых в качестве добавок, применяемых при спекании Si₃N₄, используются углеродные нанокластеры, в частности, фуллерены и нанотрубки, которые могут располагаться по границам зерен керамики.Known technical solutions (US 2004/0029706 (12.02.2004, C04B 35/52) [1] and WO 2014/149007 (09.25.2014, C04B 35/587)), in which, as additives used in the sintering of Si₃ N₄ , carbon nanoclusters are used, in particular, fullerenes and nanotubes, which can be located along the grain boundaries of ceramics.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (аналогом изобретения) является [1], где описан способ получения керамического нанокомпозита, включающий, в частности, смешивание керамического порошка с углеродными нанокластерами в шаровой мельнице и спекание керамического изделия из полученной смеси. Размер зерен керамического порошка находится в интервале от 1 нм до 10 мкм, предпочтительно от 10 нм до 1 мкм. В работе [1] декларируется, что керамический нанокомпозит обладает, в частности, большей прочностью и трещиностойкостью, чем исходные керамические составляющие нанокомпозита. При этом в [1] не приводится никаких измерений или теоретических оценок прочности и трещиностойкости полученного керамического нанокомпозита. Более того, утверждение об улучшении механических свойств противоречит задекларированному размеру зерна (верхний интервал 1-10 мкм), поскольку, как известно из уровня техники, большой размер зерна (более 0,1 мкм) является причиной спонтанных микротрещин и, как следствие, плохих механических свойств, в частности низкой трещиностойкости. Именно крупная фракция, как наиболее слабые участки в керамическом материале, не позволят достичь большей прочности и трещиностойкости, чем исходные керамические составляющие нанокомпозита.The closest technical solution to the proposed (analogue of the invention) is [1], which describes a method for producing ceramic nanocomposite, including, in particular, mixing ceramic powder with carbon nanoclusters in a ball mill and sintering a ceramic product from the resulting mixture. The grain size of the ceramic powder is in the range from 1 nm to 10 μm, preferably from 10 nm to 1 μm. In [1], it was declared that a ceramic nanocomposite has, in particular, greater strength and crack resistance than the initial ceramic components of the nanocomposite. Moreover, in [1] no measurements or theoretical estimates of the strength and crack resistance of the obtained ceramic nanocomposite are given. Moreover, the statement about the improvement of mechanical properties contradicts the declared grain size (upper interval 1-10 μm), since, as is known from the prior art, a large grain size (more than 0.1 μm) is the cause of spontaneous microcracks and, as a consequence, poor mechanical properties, in particular low crack resistance. It is the large fraction, as the weakest areas in the ceramic material, that will not allow to achieve greater strength and crack resistance than the initial ceramic components of the nanocomposite.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, нацелена на создание наноструктурированного керамического материала на основе Si₃N₄ с сохранением твердости на уровне монокристаллического нитрида кремния и повышение трещиностойкости.The problem to which this invention is directed, is aimed at creating a nanostructured ceramic material based on Si₃ N₄ while maintaining hardness at the level of single-crystal silicon nitride and increasing crack resistance.

Согласно предлагаемому техническому решению, эффект сохранения твердости на уровне монокристаллического нитрида кремния и повышения трещиностойкости керамического материала на основе Si₃N₄ достигают за счет модификации границ зерен углеродом и за счет предотвращения рекристаллизации нанозерен нитрида кремния при спекании. При этом подавление рекристаллизации обусловлено модификацией границ зерен нитрида кремния углеродом, который блокирует рекристаллизацию (рост зерна) при спекании.According to the proposed technical solution, the effect of maintaining hardness at the level of single-crystal silicon nitride and increasing crack resistance of a ceramic material based on Si₃ N_{4 is} achieved by modifying grain boundaries with carbon and by preventing recrystallization of silicon nitride grains during sintering. In this case, suppression of recrystallization is due to the modification of the grain boundaries of silicon nitride by carbon, which blocks recrystallization (grain growth) during sintering.

Способ получения наноструктурированного керамического материала включает в себя следующие операции: в инертной атмосфере смешивают порошок нитрида кремния (фракция меньше 1 мм) и фуллерен C₆₀ (предпочтительно 3 вес. %) и засыпают в барабаны планетарной мельницы. Далее в планетарной мельнице осуществляют обработку указанной смеси в течение 20-120 мин при рабочей частоте водила 550-1100 об/мин. При такой обработке нитрид кремния измельчают до среднего размера зерна 20 нм. Концентрация добавляемого фуллерена обусловлена условием покрытия монослоем фуллерена получаемых в результате обработки в планетарной мельнице наночастиц нитрида кремния. При среднем размере зерна 20 нм 3 вес. % фуллерена как раз обеспечивают монослой фуллерена между зерен нитрида кремния.A method for producing a nanostructured ceramic material includes the following operations: in an inert atmosphere, silicon nitride powder (fraction less than 1 mm) and fullerene C₆₀ (preferably 3 wt.%) Are mixed and filled into the drums of a planetary mill. Then, in a planetary mill, this mixture is processed for 20-120 minutes at a carrier frequency of 550-1100 rpm. With this treatment, silicon nitride is ground to an average grain size of 20 nm. The concentration of the added fullerene is due to the condition that the monolayer of fullerene obtained as a result of the processing of silicon nitride nanoparticles in a planetary mill is coated. With an average grain size of 20nm 3 weight. % fullerene just provides a fullerene monolayer between grains of silicon nitride.

Затем полученный порошок компактируют методом двустороннего одноосного прессования и спекают под давлением 1-5 ГПа при температуре 1100-1850°С. Предпочтительно, что воздействие ведут при температуре 1600 градусов и давлении 2-5 ГПа. Таким образом, при спекании керамики толщина модифицирующего углеродного слоя, полученного из фуллерена, имеет характерную толщину порядка границы зерен и, фактически, оказывает влияние на их свойства, не образуя объемных 3D областей.Then, the obtained powder is compacted by the method of bilateral uniaxial pressing and sintered under a pressure of 1-5 GPa at a temperature of 1100-1850 ° C. Preferably, the exposure is carried out at a temperature of 1600 degrees and a pressure of 2-5 GPa. Thus, when sintering ceramics, the thickness of the modifying carbon layer obtained from fullerene has a characteristic thickness of the order of the grain boundary and, in fact, affects their properties without forming three-dimensional 3D regions.

Для характеристики механических свойств наноструктурированного керамического материала проводили испытания по известным методикам измерения твердости и трещиностойкости.To characterize the mechanical properties of a nanostructured ceramic material, tests were carried out using known methods for measuring hardness and crack resistance.

Твердость измеряли пирамидой Виккерса в соответствии с ГОСТ 9450-76. Трещиностойкость измеряли известным методом по длине трещин, образующихся при индентировании образца пирамидой Виккерса.Hardness was measured by the Vickers pyramid in accordance with GOST 9450-76. Fracture resistance was measured by a known method along the length of cracks formed during indentation of a sample by the Vickers pyramid.

Для характеристики структуры полученных образцов использовали известный метод рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и комбинационного рассеяния света (КРС).To characterize the structure of the obtained samples, the well-known method of x-ray phase analysis, transmission electron microscopy (TEM) and Raman scattering (Raman) were used.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГ. 1, 2, 3BRIEF DESCRIPTION OF FIGS. 1, 2, 3

На Фиг. 1 представлена дифрактограмма нитрида кремния, модифицированного фуллереном, после спекания.In FIG. 1 shows a diffraction pattern of fullerene-modified silicon nitride after sintering.

На Фиг. 2 представлено полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM-2010 изображение зерен нитрида кремния в спеченном образце.In FIG. Figure 2 shows the image of silicon nitride grains in a sintered sample obtained using a transmission electron microscope (TEM) JEM-2010.

На Фиг. 3 представлены спектры комбинационного рассеяния света (КРС) спеченных образцов керамического материала.In FIG. Figure 3 shows the Raman spectra of sintered samples of ceramic material.

Следующие примеры иллюстрируют предлагаемое изобретение.The following examples illustrate the invention.

Пример 1. Получение керамического наноструктурированного материала на основе нитрида кремния в соответствии с изобретением.Example 1. Obtaining a ceramic nanostructured material based on silicon nitride in accordance with the invention.

В инертной атмосфере смешивают порошок нитрида кремния (фракция меньше 1 мм) с добавлением 3 вес. % фуллерена C₆₀. Полученную смесь засыпают в барабаны и осуществляют обработку в планетарной мельнице со следующими параметрами: время обработки - 30 минут, рабочая частота водила - 550 об/мин. Затем смесь в количестве 2 г загружают в камеру высокого давления типа наковальня с лункой, нагружают до фиксированного давления 4 ГПа и нагревают до температуры 1600°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки исследуют структуру и механические свойства образцов. На Фиг. 1 представлена дифрактограмма нитрида кремния, модифицированного фуллереном, после спекания. На Фиг. 2 представлено полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM-2010 изображение зерен нитрида кремния в спеченном образце. На Фиг. 3 представлены спектры КРС спеченных образцов керамического материала. Рентгенофазовый анализ и исследование, проведенное с помощью ПЭМ, показывают, что средний размер зерна в керамическом наноструктурированном материале на основе нитрида кремния составляет 20 нм. Эти зерна покрыты ~1 нм углеродным слоем, образовавшимся при спекании из C₆₀. Напрямую получить изображение таких слоев в ПЭМ достаточно сложно, а скоплений углеродного материала размером больше 1 нм, которые могли бы быть обнаружены в образце в случае их наличия, обнаружено не было. Однако идентифицировать слои, которыми покрыты нанокристаллы, можно с помощью спектров КРС. При спекании фуллерен трансформировался в аморфный углерод: на спектрах КРС видны только так называемые D и G пики (фиг. 3) в керамическом наноструктурированном материале на основе нитрида кремния.In an inert atmosphere, silicon nitride powder (fraction less than 1 mm) is mixed with 3 wt. % fullerene C₆₀ . The resulting mixture is poured into drums and processed in a planetary mill with the following parameters: processing time - 30 minutes, operating frequency carrier - 550 rpm Then the mixture in an amount of 2 g is loaded into a high-pressure chamber such as an anvil with a hole, loaded to a fixed pressure of 4 GPa and heated to a temperature of 1600 ° C with a holding time of 100 s. After unloading, the structure and mechanical properties of the samples are examined. In FIG. 1 shows a diffraction pattern of fullerene-modified silicon nitride after sintering. In FIG. Figure 2 shows the image of silicon nitride grains in a sintered sample obtained using a transmission electron microscope (TEM) JEM-2010. In FIG. Figure 3 shows the Raman spectra of sintered samples of ceramic material. An X-ray phase analysis and a TEM study show that the average grain size in a ceramic nanostructured material based on silicon nitride is 20 nm. These grains are covered with ~ 1 nm of a carbon layer formed during sintering from C₆₀ . It is rather difficult to directly image such layers in a TEM, and no accumulations of carbon material larger than 1 nm that could be detected in the sample if they were present were not detected. However, it is possible to identify the layers with which the nanocrystals are coated using Raman spectra. During sintering, fullerene was transformed into amorphous carbon: only so-called D and G peaks are visible on the Raman spectra (Fig. 3) in a ceramic nanostructured material based on silicon nitride.

В результате полученный материал обладает следующими характеристиками: твердость Н=35 ГПа, трещиностойкость К_1C=15 МПа√м.As a result, the obtained material has the following characteristics: hardness H = 35 GPa, crack resistance K_1C = 15 MPa√m.

Пример 2. Получение керамического наноструктурированного материала на основе нитрида кремния при концентрации фуллерена, отличающейся от оптимальной, приведенной в примере 1.Example 2. Obtaining a ceramic nanostructured material based on silicon nitride at a fullerene concentration that is different from the optimal one given in example 1.

В инертной атмосфере смешивают порошок нитрида кремния (фракция меньше 1 мм) с добавлением 1 вес. % фуллерена C₆₀. Дальнейшие операции проводят аналогично примеру 1. В результате полученный материал обладает следующими характеристиками: твердость Н=28 ГПа, трещиностойкость К_1C=13 МПа√м.In an inert atmosphere, silicon nitride powder (fraction less than 1 mm) is mixed with 1 weight added. % fullerene C₆₀ . Further operations are carried out analogously to example 1. As a result, the material obtained has the following characteristics: hardness H = 28 GPa, crack resistance K_1C = 13 MPa√m.

Пример 3. Получение керамического наноструктурированного материала на основе нитрида кремния при концентрации фуллерена, отличающейся от оптимальной, приведенной в примере 1.Example 3. Obtaining a ceramic nanostructured material based on silicon nitride at a fullerene concentration that is different from the optimal one given in example 1.

В инертной атмосфере смешивают порошок нитрида кремния (фракция меньше 1 мм) с добавлением 5 вес. % фуллерена C₆₀. Дальнейшие операции проводят аналогично примеру 1. В результате полученный материал обладает следующими характеристиками: твердость Н=25 ГПа, трещиностойкость К_1C=14 МПа√м.In an inert atmosphere, silicon nitride powder (fraction less than 1 mm) is mixed with 5 wt. % fullerene C₆₀ . Further operations are carried out analogously to example 1. As a result, the obtained material has the following characteristics: hardness N = 25 GPa, crack resistance K_1C = 14 MPa√m.

Пример 4. Получение керамического наноструктурированного материала на основе нитрида кремния в соответствии с изобретением при температурах в температурном диапазоне 1100-1850°С.Example 4. Obtaining a ceramic nanostructured material based on silicon nitride in accordance with the invention at temperatures in the temperature range 1100-1850 ° C.

Изготовляют несколько образцов. Для этого в инертной атмосфере смешивают порошок нитрида кремния (фракция меньше 1 мм) с добавлением 3 вес. % фуллерена С₆₀. Полученную смесь засыпают в барабаны и осуществляют обработку в планетарной мельнице со следующими параметрами: время обработки - 30 минут, рабочая частота водила - 550 об/мин. Затем смесь в количестве 2 г загружают в камеру высокого давления типа наковальня с лункой, нагружают до фиксированного давления 4 ГПа и нагревают до выбранной температуры с временем выдержки 100 с. Были получены образцы при температурах 1100, 1300, 1850°С. В результате полученный материал обладает следующими характеристиками: твердость Н в пределах 25-30 ГПа, трещиностойкость К_1C в пределах 13-14 МПа√м.A few samples are made. To do this, in an inert atmosphere, the silicon nitride powder is mixed (fraction less than 1 mm) with the addition of 3 weight. % fullerene C₆₀ . The resulting mixture is poured into drums and processed in a planetary mill with the following parameters: processing time - 30 minutes, operating frequency carrier - 550 rpm Then the mixture in an amount of 2 g is loaded into a high-pressure chamber such as an anvil with a hole, loaded to a fixed pressure of 4 GPa and heated to a selected temperature with a holding time of 100 s. Samples were obtained at temperatures of 1100, 1300, 1850 ° C. As a result, the obtained material has the following characteristics: hardness N in the range of 25-30 GPa, crack resistance K_1C in the range of 13-14 MPa√m.

Пример 5. Получение керамического наноструктурированного материала на основе нитрида кремния в соответствии с изобретением в при давлениях 1 и 5 ГПа.Example 5. Obtaining a ceramic nanostructured material based on silicon nitride in accordance with the invention in at pressures of 1 and 5 GPa.

Изготовляют несколько образцов. Для этого в инертной атмосфере смешивают порошок нитрида кремния (фракция меньше 1 мм) с добавлением 3 вес. % фуллерена C₆₀. Полученную смесь засыпают в барабаны и осуществляют обработку в планетарной мельнице со следующими параметрами: время обработки - 30 минут, рабочая частота водила - 550 об/мин. Затем смесь в количестве 2 г загружают в камеру высокого давления типа наковальня с лункой, нагружают до выбранного давления и нагревают до температуры 1600°С с временем выдержки 100 с. Были получены образцы при давлениях 1 и 5 ГПа. В результате полученный материал обладает следующими характеристиками: твердость Н=25 ГПа и трещиностойкость К_1C=12 МПа√м для образца, спеченного при давлении 1 ГПа и Н=35 ГПа и трещиностойкость К_1C=15 МПа√м для образца, спеченного при давлении 5 ГПа.A few samples are made. To do this, in an inert atmosphere, the silicon nitride powder is mixed (fraction less than 1 mm) with the addition of 3 weight. % fullerene C₆₀ . The resulting mixture is poured into drums and processed in a planetary mill with the following parameters: processing time - 30 minutes, operating frequency carrier - 550 rpm Then the mixture in an amount of 2 g is loaded into a high-pressure chamber such as an anvil with a hole, loaded to a selected pressure and heated to a temperature of 1600 ° C with a holding time of 100 s. Samples were obtained at pressures of 1 and 5 GPa. As a result, the obtained material has the following characteristics: hardness H = 25 GPa and crack resistance K_1C = 12 MPa√m for a sample sintered at a pressure of 1 GPa and H = 35 GPa and crack resistance K_1C = 15 MPa√m for a sample sintered 5 GPa.

Claims (2)

Translated fromRussian

1. Способ получения керамического наноструктурированного материала на основе нитрида кремния путем спекания порошков нитрида кремния и углерода, отличающийся тем, что в качестве углерода используют фуллерен, порошок нитрида кремния измельчают с одновременным покрытием зерен нитрида кремния слоем фуллерена путем обработки порошка нитрида кремния и фуллерена в планетарной мельнице, при этом концентрацию фуллерена определяют из условия образования мономолекулярного слоя фуллерена между зерен нитрида кремния, получаемых в результате вышеуказанной обработки нитрида кремния и фуллерена в планетарной мельнице, затем полученный порошок нитрида кремния с фуллереном спекают методом горячего прессования под давлением в диапазоне 1-5 ГПа при температуре в интервале 1100-1850°С.1. A method of producing a ceramic nanostructured material based on silicon nitride by sintering powders of silicon nitride and carbon, characterized in that fullerene is used as carbon, silicon nitride powder is crushed while silicon nitride grains are coated with a fullerene layer by treating silicon nitride and fullerene powder in a planetary mill, while the concentration of fullerene is determined from the conditions for the formation of a monomolecular layer of fullerene between grains of silicon nitride, resulting in of the above processing of silicon nitride and fullerene in a planetary mill, then the obtained silicon nitride powder with fullerene is sintered by hot pressing under pressure in the range of 1-5 GPa at a temperature in the range of 1100-1850 ° C.2. Керамический наноструктурированный материал на основе нитрида кремния, полученный способом по п. 1, отличающийся тем, что границы зерен нитрида кремния модифицированы углеродом, средний размер зерна нитрида кремния 20 нм и материал обладает твердостью на уровне монокристаллического нитрида кремния и трещиностойкостью, превышающей трещиностойкость монокристаллического нитрида кремния.2. Ceramic nanostructured material based on silicon nitride, obtained by the method according to claim 1, characterized in that the grain boundaries of silicon nitride are modified by carbon, the average grain size of silicon nitride is 20 nm and the material has a hardness at the level of single-crystal silicon nitride and crack resistance exceeding the crack resistance of single-crystal silicon nitride.

Images