vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2022-67-2-144-155vestift-732Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYПолучение нано- и микропорошков кубического BN из механоактивированного графитоподобного BN в условиях высоких давлений и температур с использованием алюминия в качестве инициатора фазового превращенияProduction of nano- and micropowders of cubic BN from mechanically activated graphite-like BN under high pressures and temperatures using aluminium as a phase convertion initiatorСенютьВ. Т.SenyutV. T.

Cенють Владимир Тадеушевич – кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

ул. Академическая, 12, 220072, Минск

Vladimir T. Senyut – Ph. D. (Engineering), Leading Researcher

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

vsenyut@tut.byОбъединенный институт машиностроения Национальной академии наук БеларусиJoint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus202202072022672144155Copyright © Сенють В.Т., 20222022Сенють В.Т.Senyut V.T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/732

Рассмотрено влияние механоактивации графитоподобного (гексагонального) нитрида бора (hBN) на процесс каталитического синтеза в условиях высоких давлений и температур нано- и микропорошков кубического нитрида бора (cBN). Выдвинуто предположение, что в ходе механоактивации в структуре hBN происходит образование зародышей плотных фаз нитрида бора – кубической и вюрцитной, которые служат центрами кристаллизации, стимулирующими процесс формирования кристаллов cBN при последующей термобарической обработке. Дополнительное химико-термическое модифицирование hBN алюминием, выступающим в качестве катализатора (инициатора) фазового превращения hBN в cBN, наряду с увеличением давления синтеза способствует существенному повышению содержания cBN в спеках. Так, введение добавки Al в количестве 10 мас.% приводит к росту содержания фазы cBN с 10–15 % при давлении синтеза 2,5 ГПа до 90 % при давлении 5,5 ГПа. При этом размер зерен cBN, оцененный методами сканирующей и атомно-силовой микроскопии, составляет преимущественно 200–400 нм и 40–120 нм для образцов спеков, синтезированных при давлении 2,5 и 5,5 ГПа соответственно. Повышение содержания инициатора с 10 до 40 мас.% при увеличении времени изотермической выдержки с 15 до 60 с в исследованном диапазоне давлений и температур приводит к формированию сростков зерен cBN нано- и субмикронных размеров и отдельных монокристаллов cBN кубического габитуса зернистостью 1–4 мкм, а также поликристаллических частиц cBN от 10 до 50 мкм. При этом максимум распределения микропорошков cBN по размерам в диапазоне до 50 мкм приходится на частицы до 5 мкм (~ 70 %). В субмикронном диапазоне зернистостей максимальный выход (~ 50 %) отмечается для частиц cBN размером 0,5–0,7 мкм. Полученные порошки могут быть использованы для изготовления абразивного и лезвийного инструмента.

An effect of mechanical activation of graphite-like (hexagonal) boron nitride (hBN) on catalytic synthesis of nano- and micropowders of cubic boron nitride (cBN) under conditions of high pressures and temperatures is shown in the article. It has been suggested that nuclei of dense phases of boron nitride (cubic and wurtzite) are formed in the hBN structure during mechanical activation they serve as crystallization centers stimulating the formation of cBN crystals under subsequent thermobaric treatment. Additional chemical-thermal modification of hBN with aluminum as a catalyst (initiator) for the phase transformation of hBN into cBN leads to a significant increase in the content of cBN along with an increase in the synthesis pressure. Thus, the introduction of Al additives in the amount of 10 wt.% leads to an increase in the content of the cBN phase from 10–15 % under synthesis pressure of 2.5 GPa up to 90 % under pressure of 5.5 GPa. In this case, the grain size of cBN, estimated by scanning and atomic force microscopy, is mainly 200–400 nm and 40–120 nm for the samples synthesized under pressure of 2.5 and 5.5 GPa, respectively. The increase in the content of the initiator from 10 to 40 wt.% with an increase in isothermal holding time from 15 to 60 s in the studied range of pressures and temperatures leads to the formation of intergrowths of cBN grains in nano- and submicron sizes and individual cBN single crystals of a cubic habit with a grain size of 1–4 µm, as well as polycrystalline cBN particles from 10 to 50 µm. In this case, the maximum size distribution of cBN micropowders in the range up to 50 µm falls on particles up to 5 µm (~ 70 %). In the submicron grain size range the maximum yield (~ 50 %) is marked for cBN particles 0.5–0.7 µm in size. The obtained powders can be used to make abrasive and cutting tools.

механическая активацияфазовое превращениемодифицированиенаноструктурный кубический нитрид боравысокое давление и температурасинтезmechanical activationphase transformationmodificationnanostructured cubic boron nitridehigh pressure and temperaturesynthesisReferencesИнструменты из сверхтвердых материалов / Г. П. Богатырева [и др.]; под ред. Н. В. Новикова, С. А. Клименко. – М.: Машиностроение, 2014. – 608 с.Bogatyreva G. P., Burykin V. V., Gargin V. V., Gurvich R. A., Devin L. N., Dub S. N. et al.; Novikov N. V., Klimenko S. A. (eds.) Superhard Material Tools. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2014. 608 p. (in Russian).Синтез, спекание и свойства кубического нитрида бора / А. А. Шульженко [и др.]. – Киев: Наук. думка, 1993. – 255 с.Shulzhenko A. A., Bozhko S. A., Sokolov A. N., Petrusha I. A. Synthesis, Sintering and Properties of Cubic Boron Nitride. Kiev, Naukova dumka Publ., 1993. 255 p. (in Russian).Сверхтвердые материалы. Получение и применение: в 6 т. / под общ. ред. Н. В. Новикова. – Киев: Ин-т сверхтв. материалов им. В. Н. Бакуля, ИПЦ «АЛКОН» Нац. акад. наук Украины, 2003. – Т. 1: Синтез алмазов и подобных материалов / под ред. А. А. Шульженко. – 320 с.Shulzhenko A. A. (ed.) Superhard Materials. Obtaining and Application. Volume 1: Synthesis of Diamonds and Similar Materials. Kiev, V. Bakul Institute for Superhard Materials, IPC “ALKON” of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2003. 320 p. (in Russian).Получение, свойства и применение порошков алмаза и кубического нитрида бора / В. Б. Шипило [и др.]; под ред. П. А. Витязя. – Минск: Беларус. навука, 2003. – 335 c.Shipilo V. B., Zvonarev E. V., Kuzey A. M., Starovoitov A. S., Zaitsev V. A., Gorlach A. G.; Vityaz P. A. (ed.) Obtaining, Properties and Application of Powders of Diamond and Cubic Boron Nitride. Minsk, Belorusskaya nauka Publ., 2003. 335 p. (in Russian).Шипило, В. Б. Кинетические особенности процесса кристаллизации сфалеритного нитрида бора в системе BN-Li3N (H, N) / В. Б. Шипило, Л. М. Гамеза, А. И. Лукомский // Сверхтвердые материалы. – 1995. – № 5. – С. 16–21.Shipilo V. B., Gameza L. M., Lukomsky A. I. Kinetic features of the process of crystallization of sphalerite boron nitride in the BN-Li3N (H, N) system. Sverkhtverdyye materialy [Superhard Materials], 1995, no. 5, pp. 16–21 (in Russian).Исследование влияния механической активации гексагонального нитрида бора на фазовое превращение в кубическую модификацию / А. Н. Соколов [и др.] // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника, технология его изготовления и применения. – Киев: Ин-т сверхтв. материалов им. В. Н. Бакуля, 2005. – Вып. 8. – С. 149–154.Sokolov A. N., Shulzhenko A. A., Tkach V. N., Budyak A. A. Investigation of the effect of mechanical activation of hexagonal boron nitride on the phase transformation into cubic modification. Porodorazrushayushchii i metalloobrabatyvayushchii instrument – tekhnika, tekhnologiya ego izgotovleniya i primeneniya [Rock-Cutting and Metal-Working Tools – Equipment, Technology for its Manufacture and Use]. Kiev, V. Bakul Institute for Superhard Materials, 2005, iss. 8, pp. 149–154 (in Russian).Механохимия гексагонального нитрида бора. 1. Разрушение и аморфизация при механической обработке / А. Н. Стрелецкий [и др.] // Коллоид. журн. – 2010. – Т. 72, № 4. – С. 532–541.Streletsky A. N., Permenov D. G., Streletsky K. A., Bokhonov B. B., Leonov A. V. Mechanochemistry of a hexagonal boron nitride. 1. Destruction and amorphization during mechanical treatment. Colloid Journal, 2010, vol. 72, no. 4, pp. 544– 552. https://doi.org/10.1134/s1061933x10040162Synthesis of Cubic Boron Nitride Using Ball Milling Hexagonal Boron Nitride / Du Yong-Hui [et al.] // J. Synthetic Crystals. – 2016. – Vol. 45, № 10. – P. 2441–2445. https://doi.org/10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2016.10.016Du Yong-Hui, Zhang Bo-Bo, Wang Shao-Wei, Zhang Tie-Chen. Synthesis of Cubic Boron Nitride Using Ball Milling Hexagonal Boron Nitride. Journal of Synthetic Crystals, 2016, vol. 45, no. 10, pp. 2441–2445. https://doi.org/10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2016.10.016Витязь, П. А. Синтез и применение наноструктурных сверхтвердых материалов инструментального назначения / П. А. Витязь, В. Т. Сенють // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2015. – № 3. – С. 60–76.Vityaz P. A., Senyut V. T. Synthesis and application of nanostructural superhard materials of tool appointment. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2015, no. 3, pp. 60–76 (in Russian).Структурные и фазовые превращения в нитриде бора при аттриторной обработке / В. Т. Сенють [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. – 2009. – Т. 17, № 6. – С. 647–652.Senyut V. T., Kovaleva S. A., Mosunov E. I., Stefanovich A. A. Structural and phase transformations in boron nitride during attritor treatment. Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya [Chemistry for Sustainable Development], 2009, vol. 17, no. 6, pp. 647–652 (in Russian).Исследование структурных особенностей нитрида бора после механоактивации в аттриторе и планетарной мельнице с последующим спеканием в условиях высоких давлений и температур / В. Т. Сенють [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. – 2016. – Т. 24, № 2. – С. 169–175. https://doi.org/10.15372/KhUR20160208Senyut V. T., Kovaleva S. A., Gamzeleva T. V., Grigorieva T. F. Investigation of the structural features of boron nitride after mechanical activation in attritor and planetary mill followed by agglomeration at high pressure and temperature. Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya [Chemistry for Sustainable Development], 2016, vol. 24, no. 2, pp. 169–175. (in Russian). https://doi.org/10.15372/KhUR20160208Huang, J. Y. HRTEM and EELS Studies on the Amorphization of Hexagonal Boron Nitride Induced by Ball Milling / J. Y. Huang, H. Yasuda, H. Mori // J. Am. Ceram. Soc. – 2000. – Vol. 83, № 2. – P. 403–409. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01204.xHuang J. Y., Yasuda H., Mori H. HRTEM and EELS Studies on the Amorphization of Hexagonal Boron Nitride Induced by Ball Milling. Journal of the American Ceramic Society, 2000, vol. 83, no. 2, pp. 403–409. https://doi. org/10.1111/j.1151-2916.2000.tb01204.xОбратимое фазовое превращение в нитриде бора при импульсном механическом воздействии / С. С. Бацанов [и др.] // Неорганические материалы. – 2008. – Т. 44, № 11. – С. 1332–1334.Batsanov S. S., Gavrilkin S. M., Bezduganov S. V., Romanov P. N. Reversible phase transformation in boron nitride upon pulsed mechanical action. Inorganic Materials, 2008, vol. 44, no. 11, pp. 1199–1201. https://doi.org/10.1134/s0020168508110101Влияние интенсивности механической активации на структуру гексагонального нитрида бора / А. А. Шульженко [и др.] // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника, технология его изготовления и применения. – Киев: Ин-т сверхтв. материалов им. В. Н. Бакуля, 2011. – Вып. 14. – С. 370–376.Shulzhenko A. A., Borimsky I. A., Borimsky A. I., Sokolov A. N., Belyavina N. N., Timofeeva I. I., Bykov A. I., Tkach V. N. Effect of the intensity of mechanical activation on the structure of the hexagonal boron nitride. Porodorazrushayushchii i metallo obrabatyvayushchii instrument – tekhnika, tekhnologiya ego izgotovleniya i primeneniya [Rock-Cutting and MetalWorking Tools – Equipment, Technology for its Manufacture and Use]. Kiev, V. Bakul Institute for Superhard Materials, 2011, iss. 14, pp. 370–376 (in Russian).Facilitated synthesis of cubic boron nitride by a mechanochemical effect / S. Horiuchi [et al.] // Phil. Mag. A. – 1998. – Vol. 78, № 5. – P. 1065–1072.Horiuchi S., Huang J. Y., He L. L., Mao J. F., Taniguchi T. Facilitated synthesis of cubic boron nitride by a mechanochemical effect. Philosophical Magazine A, 1998, vol. 78, no. 5, pp. 1065–1072.Effect of mechanical activation and high pressure high temperature treatment on the synthesis of the material based on nanostructured boron nitride / V. T. Senyut [et al.] // Механика машин, механизмов и материалов. – 2019. – № 3 (48). – С. 69–76.Senyut V. T., Kovaleva S. A., Valkovich I. V., Zhornik V. I., Li Wensheng, Cheng Bo, He Dongqing, Zhai Haimin. Effect of mechanical activation and high pressure high temperature treatment on the synthesis of the material based on nanostructured boron nitride. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov = Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials, 2019, no. 3 (48), pp. 69–76.Голубев, А. С. Нитрид бора: структура, свойства, получение / А. С. Голубев, А. В. Курдюмов, А. Н. Пилянкевич. – Киев: Наук. думка, 1987. – 200 с.Golubev A. S., Kurdyumov A. V., Pilyankevich A. N. Boron Nitride: Structure, Properties, Obtaining. Kiev, Naukova dumka Publ., 1987. 200 p. (in Russian).Bogdanov, S. P. Role of the Particle Size of Graphite-Like Boron Nitride in Nucleation of Cubic Boron Nitride / S. P. Bogdanov // Glass Phys. Chem. – 2008. – Vol. 34, № 2. – P. 213–217. https://doi.org/10.1134/s1087659608020168Bogdanov S. P. Role of the Particle Size of Graphite-Like Boron Nitride in Nucleation of Cubic Boron Nitride. Glass Physics and Chemistry, 2008, vol. 34, no. 2, pp. 213–217. https://doi.org/10.1134/s1087659608020168Легирование кубического нитрида бора алюминием / А. К. Бутыленко [и др.] // Письма в ЖТФ. – 1977. – Т. 3, вып. 20. – С. 1094–1095.Butylenko A. K., Bartnitskaya T. S., Lugovskaya E. S., Timofeeva I. I. Doping of cubic boron nitride by aluminum. Pis’ma v Zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Technical Physics Letters, 1977, vol. 20, no. 3, pp. 1094–1095 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.