ТАНТАЛ ЖӘНЕ ВАНАДИЙ КАРБИДТІ ДОПАНТТАРЫНЫҢ АЛЮМИНИЙ НИТРИДІ НЕГІЗІНДЕГІ КЕРАМИКАЛАРДЫҢ ҚҰРЫЛЫМЫ МЕН МЕХАНИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІНЕ ӘСЕРІ

Бұл жұмыста механохимиялық қатты фазалық өңдеу және кейінгі термиялық өңдеу арқылы алынған алюминий нитриді негізіндегі керамикалық композиттердің фазалық құрамына, микроқұрылымына және механикалық қасиеттеріне тантал карбиді мен ванадий карбиді қоспаларының әсері зерттелді. Карбидтік қоспалардың мольдік үлесі x=0,01–0,10 аралығында өзгертілді. Сканерлеуші электрондық микроскопия және энергодисперсиялық рентгендік спектрлік талдау нәтижелері механохимиялық активациядан кейін арматуралаушы фазалардың біркелкі таралатынын көрсетті. Рентгендік фазалық талдау TaC өңдеу барысында химиялық тұрақтылығын сақтап, AlN матрицасының кристалдық торындағы деформацияларды азайта отырып, екі фазалы AlN-TaC композитінің түзілетінін көрсетті. Керісінше, VC термиялық өңдеу кезінде ішінара тотығып, екінші реттік V2 O5 фазасының түзілуіне алып келеді, нәтижесінде материалдың фазалық эволюциясы өзгеше сипат алады. Механохимиялық өңдеу ұнтақ қоспасының анағұрлым біртекті морфологиясының қалыптасуына ықпал етіп, карбид бөлшектерінің ірі агломераттарының түзілуін тежейді, бұл кейінгі микроқұрылымның қалыптасуына қолайлы жағдай жасайды. Механикалық сынақтар x > 0,03 болған жағдайда қаттылық пен иілу кезіндегі беріктіктің едәуір артатынын көрсетті. Ең жоғары беріктендіру әсері тұрақты, біркелкі таралған жоғары қаттылықтағы карбидтік фазаның сақталуына байланысты TaC қосылған композиттерде байқалды. Механикалық қасиеттердің жақсаруы дисперсиялық беріктендірудің, түйіршіктердің өсуін тежеудің, түйіршік шекараларының беріктенуінің және жарықшақтардың таралу траекториясының ауытқуының бірлескен әсерімен түсіндіріледі. Алынған нәтижелер өңдеу шарттары, фазалық эволюция, микроқұрылым және механикалық қасиеттер арасындағы өзара байланысты анық көрсетіп, жоғары механикалық және термиялық жүктемелер жағдайында пайдалануға арналған алюминий нитриді негізіндегі жоғары тиімді керамикалық композиттерді әзірлеуде механохимиялық өңдеу әдісінің перспективалы екенін дәлелдейді.

1. Schwarzer-Fischer, E., Scheithauer, U., and Michaelis, A. CerAMfacturing of aluminum nitride with high thermal conductivity via lithography-based ceramic vat photopolymerization (CerAM VPP). Ceramics, 6 (1), 416–431 (2023). https://doi.org/10.3390/ceramics6010024

2. Gaskins, J.T., Hopkins, P.E., Merrill, D.R., Bauers, S.R., Hadland, E., Johnson, D.C., and King, S.W. Investigation and review of the thermal, mechanical, electrical, optical, and structural properties of atomic layer deposited high-k dielectrics: Beryllium oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, and aluminum nitride. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 6 (10), N189 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0091710jss

3. Zhang, Z., Wu, H., Zhang, Z., Li, J., Xu, H., Lu, H., and Qin, M. Limiting the lattice oxygen impurities to obtain high thermal conductivity aluminum nitride ceramics. Ceramics International, 50 (18), 33488–33495 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.06.164

4. Zhang, Z., Wu, H., Li, T., Zhang, Z., Xu, H., Lu, H., and Qin, M. Preparation of high thermal conductivity aluminium nitride ceramics with low oxygen impurity for power semiconductors. Electrical Materials and Applications, 1 (1), e12012 (2024). https://doi.org/10.1049/ema3.12012

5. Kozlovskiy, A.L., Borgekov, D.B., Tleulessova, I.K., Zhumazhanova, A.T., Moldabayeva, G.Z., Burkhanov, B.Z., and Khametova, A.A. Evaluation of the application efficiency of multicomponent ceramics as protective shielding and thermal barrier materials. Eurasian Physical Technical Journal, 22 (3), 24–35 (2025). https://doi.org/10.31489/2025N3/24-35

6. Paik, U., Park, H.C., Choi, S.C., Ha, C.G., Kim, J.W., and Jung, Y.G. Effect of particle dispersion on microstructure and strength of reaction-bonded silicon carbide. Materials Science and Engineering: A, 334 (1-2), 267–274 (2002). https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01897-4

7. Mao, H., Shen, F., Zhang, Y., Wang, J., Cui, K., Wang, H., and Tan, T. Microstructure and mechanical properties of carbide reinforced TiC-based ultra-high temperature ceramics: A Review. Coatings, 11 (12), 1444 (2021). https://doi.org/10.3390/coatings11121444

8. Yue, X.M., Zhang, G.J., and Wang, Y.M. Reaction synthesis and mechanical properties of TiB2–AlN– SiC composites. Journal of the European Ceramic Society, 19 (3), 293–298 (1999). https://doi.org/10.1016/ S0955-2219(98)00150-2

9. Lin, K., Zong, X., Sheng, P., Zhao, S., Qi, Y., Zhang, W., and Wu, S. Effects of SmF3 addition on aluminum nitride ceramics via pressureless sintering. Journal of the European Ceramic Society, 43 (15), 6804– 6814 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.07.051

10. Mao, H., Zhang, Y., Wang, J., et al. Microstructure, Mechanical Properties, and Reinforcement Mechanism of Second-Phase Reinforced TiC-Based Composites: A Review. Coatings, 12 (6), 801 (2022). https://doi.org/10.3390/coatings12060801

11. Yang, S.L., Chu, C.H., and Hsiang, H.I. Effect of Y2Zr2O7 content on improving mechanical properties and thermal shock resistance of AlN-based composite ceramics. Ceramics International, 50, 29321–29331 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.05.226

12. Zhai, X., Lu, K., Peng, C., et al. Effects of Nb/TiC/TaC/VC and Co addition on the microstructure and properties of WC-based cemented carbides. International Journal of Applied Ceramic Technology, 20, 2785–2795 (2023). https://doi.org/10.1111/ijac.14424

13. Sun, W., Kuang, X., Liang, H., Xia, X., Zhang, Z., Lu, C., and Hermann, A. Mechanical properties of tantalum carbide from high-pressure/high-temperature synthesis and first-principles calculations. Physical Chemistry Chemical Physics, 22 (9), 5018–5023 (2020). https://doi.org/10.1039/C9CP06819H

14. Peng, J., Dong, H., Hojamberdiev, M., Yi, D., Yang, Y., Bao, H., and Meng, L. Improving the mechanical properties of tantalum carbide particle-reinforced iron-based composite by varying the TaC contents. Journal of Alloys and Compounds, 726, 896–905 (2017). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.08.050

15. Fahrenholtz, W.G., and Hilmas, G.E. Ultra-high temperature ceramics: materials for extreme environments. Scripta Materialia, 129, 94–99 (2017). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.10.018

16. Zeiger, M., Ariyanto, T., Krüner, B., Peter, N.J., Fleischmann, S., Etzold, B.J., and Presser, V. Vanadium pentoxide/carbide-derived carbon core–shell hybrid particles for high performance electrochemical energy storage. Journal of Materials Chemistry A, 4 (48), 18899–18909 (2016). https://doi.org/10.1039/C6TA08900C

17. Bugdayci, M., Once, L., Alkan, M., Turan, A., and Cinarli, U. A Comparative Study about Production of Vanadium Carbide via Self Propagating High Temperature Synthesis and Reduction. Archives of Metallurgy and Materials, 69 (1), 257–262 (2024). https://doi.org/10.24425/amm.2024.147816

18. Baláž, P. Mechanochemistry in minerals engineering. Mechanochemistry in Nanoscience and Minerals Engineering (Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2008), pp. 257–296.

19. Sritharan, T., Boey, F.Y.C., and Srinivas, A. Synthesis of complex ceramics by mechanochemical activation. Journal of Materials Processing Technology, 192, 255–258 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.04.079

20. Maghsoudipour, A., Moztarzadeh, F., Saremi, M., and Heinrich, J.G. Oxidation behavior of AlN–Al2O3 composites. Ceramics International, 30 (5), 773–783 (2004). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2003.10.004

21. Varanasi, D., Furkó, M., Balázsi, K., and Balázsi, C. Processing of Al2O3-AlN ceramics and their structural, mechanical, and tribological characterization. Materials, 14 (20), 6055 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14206055