TiB2 で 1800 °C で 1 GPa を超える高い曲げ強度

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6915 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ホウ化チタンと炭化ホウ素（70/30体積％）からなる高密度（99.5％）セラミック複合体を放電プラズマ焼結によって得、1800℃のAr雰囲気中での3点曲げ試験によって試験した。 曲げ強度は約1.1GPaと高い。 強度 - ひずみ曲線は、弾性変形と塑性変形が異なる重みで作用する 3 つの領域で構成される独特の形状を示します。 透過型電子顕微鏡観察に基づいて、我々は、炭化ホウ素結晶におけるせん断応力によって引き起こされる機械的エネルギー吸収のプロセスを提案します。(1-11) および (011) 積層面を持つ積層欠陥と、(1-11) 双晶面を持つ双晶は、次のように再配置されます。 (10-1) 双晶面を持つナノ双晶。直交しているが初期のものと同等。 この再配置メカニズムは、まずプラスチックの特徴を提供しますが、さらに強度の向上に貢献します。

原子力エネルギーや航空宇宙産業などの戦略的領域における技術の進歩は、主に革新的な先進機能材料のエンジニアリングに関連しています1。 極限条件用のこのような材料は、非常に高い温度に耐えることができ、高い硬度、靱性、そして理想的には良好な熱、導電性、および化学的安定性を備えている必要があります。 上記の機能はすべて同時に発生する必要があります。 さらに、これらの材料の製造は、安価、迅速、かつ拡張可能である必要があります2。

上述の特定の狭い一連の要件を満たす材料ファミリはごくわずかです3。 その中には、高融点金属 (W および Mo など)、酸化物 (ZrO2 および MgO)、ホウ化物 (TiB2 および TaB)4、炭化物 (TaC、ZrC、および TiC) または窒化物 (TaN および HfN) があります。 一般に、室温では金属は延性があり、塑性変形しますが、セラミックは脆くて硬く、弾性変形します。 しかし、全く予期せぬ、異常な物理的変形機構を伴う変形挙動が発生する場合があります。 たとえば、炭化タンタル (TaC)、ホウ化ハフニウム (HfB2)、炭化ホウ素 (BC と表記) などの一部のセラミックは、結晶欠陥の力学などによる金属と同様の高温での塑性変形に対応できます。 8. 機械的負荷の下では、材料の固有の特性 (結晶化学と欠陥) とナノおよびマイクロスケールの微細構造 (粒径、分布、形状と粒界) の間の相互作用により、エネルギー緩和の新しい物理メカニズムが促進される可能性があります。 これらのメカニズムにより、応力対ひずみ曲線の独特なプロファイルが生じます。 さらに、荷重の適用条件 (荷重の種類、適用率、角度など)、サンプルのサイズ、形状を考慮する必要があることはよく知られています。

ここ数年、TiB2 セラミックや、B4C や SiC9、10、11、12、13、14、15 などで強化された複合材料に大きな関心が集まっています。 これらのセラミックは、通常は室温での曲げ試験によって調査されます。 一般に、欠陥も考慮した複合材料の粒子サイズ、強化、微細構造に応じて、室温での曲げ強度は 600 ～ 900 MPa の値に達します。 巨視的な破壊メカニズムは亀裂の形成と進展に関連しており、これらのメカニズムは脆性セラミックスに典型的なものです。 その中で、複合材料の熱膨張係数の違い、亀裂のたわみ、へき開、粒界破壊の促進による界面微小亀裂の強化が文献で示されています14。 高温におけるこれらの材料の機械的特性について報告されている研究の数ははるかに少ないです。 参考文献 9 には、TiB2 の高温での曲げ強度を示す研究がレビューされています。 試験温度の上昇に伴う上昇傾向が顕著であり、注目に値するものの、曲げ強度値も 1GPa を超えないことがわかりました。 最近、TiB2-B4C 複合材料の曲げ強度が 2000 °C で最大 8.4 GPa という超高い値を達成することが報告されました 16。 これらの値は、室温での曲げ強度の制限 1GPa を大幅に超えています。