Матеріали з високою ентропією – новий клас кристалічних твердих розчинів, що містять п’ять або більше елементів, привернули до себе значну увагу завдяки своїм унікальним фізичним властивостям та потенційним можливостям застосування [1]. Завдяки своїй відмінній термічній стабільності та комплексу властивостей в умовах екстремально високих температур, таких як висока твердість, високий модуль пружності та виняткова стійкість до хімічного впливу, керамічні композити вважаються ідеальними кандидатами для застосування, зокрема, у облицюванні ядерних реакторів, компонентах авіаційних двигунів та системах теплозахисту гіперзвукових апаратів [2]. За останні кілька років кількість публікацій, присвячених високоентропійним керамікам, стрімко зросла, що є переконливим свідченням актуальності та глобального технологічного характеру цього напряму досліджень. Нові високоентропійні керамічні системи мають різний хімічний склад, зокрема оксиди, бориди, карбіди, силіциди та нітриди [3]. Одними з найважливіших проблем, які виникають при отриманні високоентропійних композитів системи MeC-MeB₂ є: відтворюваність механічних характеристик, рівномірний розподіл структурних складових та сегрегація перехідних металів між фазами.

Тому метою даної роботи було отримання двофазних високоентропійних керамічних композитів системи (Ti₀,₂Zr₀,₂Hf₀,₂Nb₀,₂Ta₀,₂)C–(Ti₀,₂Zr₀,₂Hf₀,₂Nb₀,₂Ta₀,₂)B₂ методом безтигельної зонної плавки, дослідження їх мікроструктури, фазового і хімічного складу та механічних властивостей.

У результаті роботи було отримано два двофазні високоентропійні керамічні композити (Ti₀,₂Zr₀,₂Hf₀,₂Nb₀,₂Ta₀,₂)C–(Ti₀,₂Zr₀,₂Hf₀,₂Nb₀,₂Ta₀,₂)B₂  із різними співвідношеннями боридної і карбідної складової (рис. 1). Мікроструктура таких композитів представляє собою високоентропійний борид на основі перехідних металів спрямовано армований високоентропійним карбідом на основі перехідних металів. Було визначено фазовий та хімічний склад, які підтвердили мікроструктурні дослідження. Дослідження мікромеханічних властивостей отриманих композитів (Ti₀,₂Zr₀,₂Hf₀,₂Nb₀,₂Ta₀,₂)C-(Ti₀,₂Zr₀,₂Hf₀,₂Nb₀,₂Ta₀,₂)B₂ показали, що твердість за Вікерсом (Hμ) та в'язкість руйнування (K₁C) зростають з підвищенням швидкості вирощування (1–7 мм/хв) з 20,2 до 23,6 ± 1 ГПа та з 4,33 до 5,24 ± 0,5 МПа м¹/², відповідно.

(MeC 40 % – MeB₂ 60 %)       (MeC 60 % – MeB₂ 40 %)

Рисунок 1. Мікрострутура отриманих високоентропійних композитів системи (Ti₀,₂Zr₀,₂Hf₀,₂Nb₀,₂Ta₀,₂)C – (Ti₀,₂Zr₀,₂Hf₀,₂Nb₀,₂Ta₀,₂)B₂

Отримані результати дають основу для подальших розробок двофазних високоентропійних керамічних спрямовано армованих композитів для застосування в екстремальних умовах експлуатації.

Подяки. Ця робота була виконана за підтримки Міністерства освіти і науки України (НДР № 2901-ф (0126U001338)).

Література:

1. Yan Zhang, Ze-Bin Jiang, Shi-Kuan Sun, Wei-Ming Guo, Qiu-Sheng Chen, Jun-Xi Qiu, Kevin Plucknett, Hua-Tay Lin, Microstructure and mechanical properties of high-entropy borides derived from boro/carbothermal reduction. Journal of the European Ceramic Society, Volume 39, Issue 13, 2019, Pages 3920-3924, https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.05.017.

2. W.G. Fahrenholtz, G.E. Hilmas, Ultra-high temperature ceramics: Materials for extreme environments, Scripta Materialia, 129 (2017) 94-99.

3. Annamária Naughton Duszová, Lenka Ďaková, Tamás Csanádi, Alexandra Kovalčíková, Vasanthakumar Kombamuthu, Hakan Ünsal, Peter Tatarko, Monika Tatarková, Pavol Hvizdoš, Pavol Šajgalík, Nanohardness and indentation fracture resistance of dual-phase high-entropy ceramic, Ceramics International, Volume 49, Issue 14, Part B, 2023, Pages 24239-24245, ISSN 0272-8842, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.12.027 .

44 Rieznik D., Palahecha D., Kryvenko K., Ponomarchyk S., Zaylichny Y, Stepanov O., Leonov D., Bogomol I.. A boron carbide-based ceramic composite directionally reinforced at the mesoscale with high-entropy transition metal diboride / Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2024, vol 22№ 2, p. 249–260. https://doi.org/10.15407/nnn.22.02.249.