TiB2에서 1GPa를 초과하는 1800°C에서의 높은 굽힘 강도

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6915(2023) 이 기사 인용

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티타늄 보라이드와 보론 카바이드(70/30 vol%)로 구성된 고밀도(99.5%) 세라믹 복합재는 스파크 플라즈마 소결을 통해 얻어졌으며 1800°C Ar 분위기에서 3점 굽힘 테스트로 테스트되었습니다. 굽힘 강도는 약 1.1GPa로 높았습니다. 강도-변형률 곡선은 서로 다른 무게로 탄성 변형과 소성 변형이 활성화되는 세 영역으로 구성된 독특한 모양을 나타냅니다. 투과 전자 현미경 관찰을 기반으로 우리는 탄화붕소 결정의 전단 응력에 의해 구동되는 기계적 에너지 흡수 과정을 제안합니다. (1-11) 및 (011) 적층 평면이 있는 적층 결함과 (1-11) 쌍정면이 있는 쌍정이 (10-1) 쌍정 평면을 갖는 나노쌍둥이는 직교하지만 초기 평면과 동일합니다. 이 재배열 메커니즘은 처음에는 플라스틱 시그니처를 제공하지만 더욱 강화에 기여합니다.

원자력, 항공우주 산업과 같은 전략적 영역에서의 기술 발전은 주로 혁신적인 첨단 기능성 소재의 엔지니어링과 관련되어 있습니다1. 극한 조건을 위한 이러한 재료는 매우 높은 온도를 견딜 수 있어야 하고, 높은 경도와 인성을 보유해야 하며, 이상적으로는 우수한 열, 전기 전도성 및 화학적 안정성을 가져야 합니다. 위에서 언급한 모든 기능이 동시에 발생해야 합니다. 더욱이 이러한 재료의 생산은 저렴하고 빠르며 확장 가능해야 합니다2.

위에 언급된 특정 요구사항을 충족하는 재료군3은 거의 없습니다. 그 중에는 내화성 금속(예: W 및 Mo), 산화물(ZrO2 및 MgO), 붕소화물(TiB2 및 TaB)4, 탄화물(TaC, ZrC 및 TiC) 또는 질화물(TaN 및 HfN)이 있습니다. 일반적으로 실온에서 금속은 연성이 있어 소성변형을 하는 반면, 세라믹은 부서지기 쉽고 단단하며 탄성적으로 변형됩니다. 그러나 전혀 예상치 못한, 비정상적인 물리적 변형 메커니즘을 동반한 변형 거동이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 탄탈륨 카바이드(TaC), 하프늄 붕화물(HfB2) 및 붕소 카바이드(BC로 표시)와 같은 일부 세라믹은 결정학적 결함의 역학으로 인해 금속과 유사한 고온 소성 변형을 수용할 수 있습니다. 8. 기계적 부하 하에서 재료의 고유 특성(결정 화학 및 결함)과 나노 및 마이크로 규모의 미세 구조(입자 크기, 분포, 모양 및 입자 경계) 간의 상호 작용은 에너지 완화의 새로운 물리적 메커니즘을 촉진할 수 있습니다. 이러한 메커니즘으로 인해 응력 대 변형률 곡선의 독특한 프로파일이 생성됩니다. 또한 하중 적용 조건(예: 하중 유형, 적용 속도 및 각도), 표본 크기 및 모양을 고려해야 한다는 것이 잘 알려져 있습니다.

지난 몇 년 동안 B4C 및 SiC9,10,11,12,13,14,15 등으로 강화된 TiB2 세라믹 및 복합재에 큰 관심이 있었습니다. 이러한 세라믹은 일반적으로 실온에서 굽힘 시험을 통해 조사됩니다. 일반적으로 결함을 고려한 복합체의 입자 크기, 강화 및 미세 구조에 따라 상온 굽힘 강도는 600-900MPa의 값에 도달합니다. 거시적 파괴 메커니즘은 균열 형성 및 발달과 관련이 있으며 이러한 메커니즘은 부서지기 쉬운 세라믹에 일반적입니다. 그 중 문헌에서는 복합 부품의 열팽창 계수 차이, 균열 편향, 벽개 및 입계 파괴 강화로 인한 계면 미세균열 강화를 나타냅니다. 고온에서 이러한 재료의 기계적 특성에 대한 연구는 훨씬 적습니다. 참고문헌 9에서는 TiB2의 ​​고온에서 굽힘 강도를 나타내는 연구를 검토했습니다. 테스트 온도가 증가함에 따라 상승 추세가 눈에 띄고 주목할 만하지만 굽힘 강도 값도 1GPa를 초과하지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 최근 TiB2-B4C 복합재의 굽힘 강도가 2000°C에서 최대 8.4GPa에 달하는 초고값을 달성하는 것으로 보고되었습니다. 이 값은 실온에서의 굽힘 강도 한계인 1GPa를 크게 초과합니다.