WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 10 Упругость и неупругость биоморфной керамики карбида кремния © Б.К. Кардашев, Ю.А. Буренков, Б.И. Смирнов, A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, F.M. Varela-Feria Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Universidad de Sevilla, 41080 Sevilla, Spain E-mail: smir.bi@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 11 марта 2004 г.) Изучалось влияние амплитуды колебательной деформации при температурах 116–296 K на модуль Юнга и поглощение ультразвука (внутреннее трение) биоморфной SiC-керамики, полученной путем пиролиза эвкалипта с последующей инфильтрацией кремния. Показано, что при колебательном нагружении образцов на воздухе и в вакууме обнаруживается ряд неожиданных эффектов. В исследованной керамике проявляется по крайней мере два механизма, в значительной мере определяющих ее упругие и неупругие свойства. Один из них связан с адсорбцией–десорбцией молекул внешней среды (предположительно благодаря наличию пор и остаточного углерода), а другой — с микропластической деформацией за счет движения дислокаций или других (аналогичных) элементов структуры.

В ФТИ работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 04-03-33183); в Севильском Университете — Проектом MCYT MAT2003-05202-C02-01.

В последнее десятилетие уделяется большое внима- 1. Образцы и экспериментальная ние изучению физико-механических свойств биоморфметодика ных керамик карбида кремния (называемых часто также экокерамиками: ecoceramics — environment conscious Биоморфная керамика SiC получена путем инфильceramics) [1–11]. Связано это с тем, что рассматритрации в вакууме расплавленного кремния в пористое ваемые керамики обладают высокой прочностью, хообугленное дерево (белый эвкалипт) после пиролиза рошим сопротивлением окислению и коррозии, выв атмосфере аргона при 1000C [5]. Окончательный сокой теплопроводностью и стойкостью к тепловым продукт представлял собой вытянутую в направлении ударам.

роста исходного дерева ячеистую структуру SiC, содерКроме того, преимуществом экокерамик является и жащую остаточный углерод, а также поры, частично способ их получения на основе заранее выбранного типа заполненные кремнием [11].

дерева. Для этого заготовка будущего изделия (образца) Образцы, приготовленные для акустических измересначала подвергается пиролизу (обугливанию), а затем ний, имели форму стержней прямоугольного поперечноинфильтрации кремния для получения карбида крем- го сечения ( 16 mm2) длиной 50 mm, ориентированния с сохранением структуры дерева. По сравнению ных вдоль направления роста дерева.

с другими методами получения SiC-керамик указанАкустические исследования проводились методом соный метод обладает рядом преимуществ, в частности, ставного вибратора. Подробное описание эксперименвозможностью предварительного выбора формы издетальной методики приведено в [12]. Продольные колебалия, большой скоростью получения материала, низкой ния частотой f около 100 kHz возбуждались в образце плотностью последнего и более низкой температурой с помощью кварцевого преобразователя. Измеряемыми изготовления. Проведенные эксперименты на биоморфпараметрами были модуль Юнга E f и логарифмиченых SiC-керамиках свидетельствуют об их достаточно ский декремент. Плотность материала = 2.37 g/cm3, хороших механических свойствах при высоких темпера- необходимая для расчета величины модуля упругости, турах [4–11].

определялась гидростатическим взвешиванием при комРанее [9] нами было исследовано влияние высоких натной температуре. Диапазон амплитуд колебательной температур (до 1000C) на модуль Юнга биоморфных деформации в данных опытах лежал в пределах от SiC-керамик, приготовленных из эвкалипта и дуба. В на- 10-7 до 3.0 · 10-4.

стоящей работе основное внимание уделено исследо- Процедура исследований была следующей. Сначала ванию поведения акустических характеристик (модуля измерялись амплитудные зависимости E() и () на Юнга и декремента упругих колебаний) SiC-экокера- свежеприготовленном образце, хранившемся длительмики на основе эвкалипта в широком диапазоне ам- ное время на воздухе при атмосферном давлении и плитуд колебательной деформации при температурах комнатной температуре. Затем акустическая система T = 116-296 K. (кварцевый преобразователь и приклеенный к нему 6 1812 Б.К. Кардашев, Ю.А. Буренков, Б.И. Смирнов, A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez...

образец) помещались в вакуум порядка 10-3 mm Hg.

Дальнейшие измерения проводились в вакууме. При этом были получены данные о температурных и амплитудных зависимостях E и в интервале температур 116–296 K.

2. Экспериментальные данные и обсуждение На рис. 1 приведены зависимости E() и (), полученные для образца биоморфной керамики карбида кремния, который впервые после изготовления подвергался в этом опыте воздействию высоких амплитуд деформации. Из рисунка видно, что при постепенном увеличении колебательной нагрузки на образец измеряемый (действующий) модуль упругости заметно увеличивается, а затухание уменьшается (за исключением нескольких последних точек при больших, когда декремент несколько возрастает). Изменения модуля и декремента в значительной мере являются необратимыми: при последовательном уменьшении амплитуды величина E при малых оказывается больше исходной, а декремент, напротив, уменьшается примерно в 1.Рис. 2. Амплитудные зависимости модуля Юнга E и декрераза. При повторном увеличении зависимости E() и мента образца биоморфной керамики SiC, находившегося на воздухе при атмосферном давлении; данные получены () практически совпадают с кривыми, полученными через четыре недели после первого измерения амплитудных при уменьшении амплитуды, и качественно отличаютзависимостей, приведенных на рис. 1; стрелки указывают направления изменения ; T = 294 K.

ся от первоначальных: в области больших амплитуд модуль падает, а декремент растет с ростом (такой эффект обычно имеет место для различных кристаллических [12] и других материалов, включая волоконные монолиты [13]). Однако и в повторных измерениях при малых и умеренных амплитудах декремент уменьшается с увеличением, хотя необратимость в этом случае становится едва заметной.

При хранении образца на воздухе при атмосферном давлении имеет место эффект возврата кривых E() и () к исходному состоянию. Однако дождаться полного возврата практически невозможно. В этом можно убедиться при сопоставлении рис. 1 и 2: данные рис. 2 были получены через 28 дней после первых измерений.

В дальнейшем подобные эксперименты были выполнены на том же образце, но при установке акустической системы в вакуумной камере. В измерениях при комнатной температуре (ср. рис. 3 с рис. 1 и 2) прежде всего обращает на себя внимание тот факт, и это весьма существенно, что в вакууме абсолютная величина модуля E возрастает, а декремент значительно уменьРис. 1. Амплитудные зависимости модуля Юнга E и дешается. Однако качественно характер зависимостей E() кремента образца биоморфной керамики SiC, измеренные и () в вакууме практически не меняется: при первом на свежеприготовленном образце последовательно два раза измерении обычно наблюдается небольшой гистерезис, (1 — первое измерение, 2 —второе) с перерывом около 1 min;

кривые () имеют минимум в области умеренных измерения проводились на воздухе при атмосферном давлении;

стрелки указывают направления изменения ; T = 296 K. амплитуд, а модуль Юнга, пройдя через едва заметный Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Упругость и неупругость биоморфной керамики карбида кремния Рис. 3. Амплитудные зависимости модуля Юнга E и декре- Рис. 4. Амплитудные зависимости модуля Юнга E и демента образца биоморфной керамики SiC, измеренные при кремента образца биоморфной керамики SiC, измеренные комнатной температуре в вакууме последовательно два раза при температуре 116 K в вакууме последовательно два раза (1 — первое измерение, 2 —второе) с перерывом около 1 min; (1 — первое измерение, 2 —второе) с перерывом во времени измерения выполнены на образце, предварительно подвергав- около 1 min; измерения выполнены на образце, предварительно шемся воздействию высоких амплитуд и низких температур; подвергавшемся воздействию высоких амплитуд при комнатстрелки указывают направление изменения ; T = 296 K. ной температуре; стрелки указывают направление изменения.

пологий максимум (лучше всего проявляющийся при первом измерении, когда постепенно увеличивается), затем плавно уменьшается с ростом амплитуды.

Похожее поведение E() и () (хотя и более сложное для () при первом измерении) наблюдается при температуре 116 K (рис. 4). Здесь максимум на кривой E() в первом измерении выражен более ярко по сравнению с комнатной температурой (ср. с рис. 3). Этот максимум хорошо виден и при повторном измерении. В то же время минимум на зависимости () при повторном измерении становится едва заметным.

На рис. 5 представлены температурные зависимости модуля Юнга и декремента, полученные в вакууме в интервале температур 116–296 K. Видно, что модуль упругости плавно растет с понижением температуры, и его значения с хорошей точностью совпадают при охлаждении и нагреве образца. Декремент, однако, демонстрирует небольшой широкий максимум, расположенный в интервале температур 230–280 K. При этом кривые (T ), снятые при охлаждении и отогреве, не Рис. 5. Температурные зависимости модуля Юнга E и десовпадают друг с другом. Это связано главным образом кремента образца биоморфной керамики SiC, полученные с воздействием высоких амплитуд: при 116 K измерялись при охлаждении (1) и отогреве (2); измерения выполнены амплитудные зависимости, представленные на рис. 4, в вакууме на образце, подвергавшемся воздействию высоких где видно, что это воздействие уменьшает декремент амплитуд при комнатной температуре; стрелки указывают примерно в 1.5 раза. направление изменения температуры; = 1.0 · 10-6.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1814 Б.К. Кардашев, Ю.А. Буренков, Б.И. Смирнов, A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez...

шение декремента и увеличение модуля Юнга с ростом амплитуды (область умеренных ). Обратимый эффект для декремента наиболее ярко проявляется на рис. и 3 (кривые 2); обратимое увеличение модуля с ростом амплитуды наиболее заметно при низкой температуре (начальный участок кривой 2 на рис. 4).

Влияние адсорбированных молекул проявилось также и на температурных зависимостях декремента (рис. 5).

Наблюдаемый максимум поглощения в области температуры затвердевания воды, форма которого заметно изменилась после воздействия на образец высокой амплитуды при 116 K, свидетельствует о реальном существовании механизма поглощения ультразвука, связанного с адсорбцией посторонних для данного материала (карбида кремния) молекул.

В то же время реакция материала на внешнее силовое воздействие оказывается связанной не только с молекулами адсорбированных газов и воды. Область высоких амплитуд (рис. 1–4), где наблюдаются падение модуля и увеличение затухания с ростом амплитуды, как отмечалось выше, характерна для многих материалов, обладающих заметной пластичностью [12]. Такое поведение E и исследуемой керамики свидетельствует о том, что Рис. 6. Кривые „напряжение–микропластическая деформа- в этом материале имеются элементы структуры, аналоция“, полученные по данным акустических измерений на обгичные подвижным дислокациям в кристаллах, которые разце биоморфной керамики SiC для двух температур — обеспечивают заметную микропластическую деформаи 296 K.

цию под влиянием ультразвуковой нагрузки. Сравнение микропластических свойств SiC-экокерамики для двух температур проводится на рис. 6. Описание процедуры Необратимые изменения модуля и декремента исходпостроения кривых „напряжение –микропластическая ного образца при помещении его в вакуум и при измедеформация d“ из зависимостей E() имеется в [14,15].

рениях амплитудных зависимостей, по всей видимости, В данном случае для SiC-экокерамики использованы можно объяснить десорбцией молекул воздуха (несокривые 2, приведенные на рис. 3 и 4. Из рис. 6 видно, что мненно имеющихся в пористом био-SiC), которая значипонижение температуры приводит к увеличению предетельно усиливается под воздействием высоких амплитуд.

ла упругости (примерно в 2 раза), что характерно для Частичный же возврат E() и () к первоначальному многих металлов и сплавов, а также для ковалентных и виду в результате четырехнедельного хранения образца ионных кристаллов.

на воздухе связан с процессом адсорбции.

Таким образом, проведенные исследования показали, Нет сомнения, что наличие пор и остаточного угчто в биоморфной SiC-керамике существуют по крайней лерода в керамике способствует адсорбции воздуха в мере два механизма, влияющих на ее упругие и неупруэтот материал. Можно предположить, что при опредегие свойства. Это механизм, связанный с адсорбциейленных внешних условиях молекулы газов и воды могут десорбцией молекул внешней среды (предположительно выделяться из образца. Действительно, было замечено, из-за наличия пор и остаточного углерода) и механизм что сразу после установки образца в вакуумной камере, микропластической деформации, который проявляется когда активизируется процесс десорбции, измеряемый благодаря тому, что в материале имеются дислокации модуль упругости начинает расти, а декремент при или другие (аналогичные) элементы структуры, способэтом — непрерывно уменьшается. Похожий эффект, ные совершать колебательное движение под действием только еще более заметный, имеет место и при воздейультразвуковой нагрузки и вносить свой вклад как в ствии достаточно высоких амплитуд (рис. 1 и 2) в ходе поглощение ультразвука, так и в нелинейную неупругую первого измерения. Влияние адсорбированных молекул, деформацию.

хотя уже не столь значительное, наблюдается и при повторных измерениях (рис. 1 и 3), и при более низкой температуре (рис. 4). По всей видимости, сложный вид Список литературы кривой () на рис. 4 при первом увеличении можно приписать присутствию в образце молекул разных газов, [1] T. Ota, M. Takahashi, M. Ozawa, H. Suzuki. J. Am. Ceram.

входящих в состав воздуха.

Soc. 78, 12, 3409 (1995).

Эффект адсорбции–десорбции может быть частично [2] D. Kovar, B.H. King, R.W. Trice, J.W. Halloran. J. Am. Ceram.

обратимым. Об этом свидетельствуют обратимые умень- Soc. 80, 10, 2471 (1997).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Упругость и неупругость биоморфной керамики карбида кремния [3] R. Naslain. Adv. Composite Mater. 8, 1, 3 (1999).

[4] H. Sieber, C. Hoffmann, A. Kaindl, P. Greil. Adv. Eng. Mater.

2, 3, 105 (2000).

[5] M. Singh. Ceram. Sci. Eng. Proc. 21, 4, 39 (2000).

[6] J. Martinez-Fernandez, F. Varela-Feria, M. Singh. Scripta Mater. 43, 813 (2000).

[7] J. Martinez-Fernandez, F. Varela-Feria, S. Lopez Pombero, A.R. de Arellano-Lopez, M. Singh. Ceram. Sci. Eng. Proc. 22, 3, 135 (2001).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.