Получение нано- и микропорошков кубического BN из механоактивированного графитоподобного BN в условиях высоких давлений и температур с использованием алюминия в качестве инициатора фазового превращения

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.

1. Инструменты из сверхтвердых материалов / Г. П. Богатырева [и др.]; под ред. Н. В. Новикова, С. А. Клименко. – М.: Машиностроение, 2014. – 608 с.

2. Синтез, спекание и свойства кубического нитрида бора / А. А. Шульженко [и др.]. – Киев: Наук. думка, 1993. – 255 с.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Synthesis 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.2016.10.016

9. Витязь, 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.

10. 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.

11. 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/KhUR20160208

12. Huang, 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.x

13. Обратимое фазовое превращение в нитриде бора при импульсном механическом воздействии / С. С. Бацанов [и др.] // Неорганические материалы. – 2008. – Т. 44, № 11. – С. 1332–1334.

14. Влияние 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.

15. Facilitated synthesis of cubic boron nitride by a mechanochemical effect / S. Horiuchi [et al.] // Phil. Mag. A. – 1998. – Vol. 78, № 5. – P. 1065–1072.

16. 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.

17. Голубев, А. С. Нитрид бора: структура, свойства, получение / А. С. Голубев, А. В. Курдюмов, А. Н. Пилянкевич. – Киев: Наук. думка, 1987. – 200 с.

18. 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/s1087659608020168

19. Легирование кубического нитрида бора алюминием / А. К. Бутыленко [и др.] // Письма в ЖТФ. – 1977. – Т. 3, вып. 20. – С. 1094–1095.