ВЛИЯНИЕ КАРБИДНЫХ ДОПАНТОВ ТАНТАЛА И ВАНАДИЯ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИК НА ОСНОВЕ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ

В настоящей работе исследовано влияние добавок карбида тантала и карбида ванадия на фазовый состав, микроструктуру и механические свойства керамических композитов на основе нитрида алюминия, полученных методом механохимической твердофазной обработки с последующей термообработкой. Мольная доля карбидных добавок варьировалась в диапазоне x = 0,01–0,10. Результаты сканирующей электронной микроскопии в сочетании с энергодисперсионным рентгеноспектральным анализом показали однородное распределение армирующих фаз после механохимической активации. Рентгенофазовый анализ показал, что карбид тантала сохраняет химическую стабильность в процессе обработки, что приводит к формированию двухфазного композита AlN-TaC с пониженными искажениями кристаллической решетки матрицы AlN. Напротив, карбид ванадия в процессе термообработки подвергается частичному окислению с образованием вторичной фазы V₂ O₅ , что обусловливает иной характер фазовой эволюции материала. Механохимическая обработка способствует формированию более однородной морфологии порошковой смеси и подавляет образование крупных агломератов карбидных частиц, создавая благоприятные условия для последующего формирования микроструктуры. Механические испытания показали, что при содержании добавок x > 0,03 наблюдается существенное повышение твердости и прочности при изгибе, при этом наибольший эффект упрочнения достигается в композитах, содержащих TaC, благодаря сохранению стабильной равномерно распределенной высокотвердой карбидной фазы. Улучшение механических свойств обусловлено совместным действием дисперсионного упрочнения, подавления роста зерен, упрочнения границ зерен и отклонения траектории распространения трещин. Полученные результаты устанавливают четкую взаимосвязь между условиями обработки, фазовой эволюцией, микроструктурой и механическими свойствами материалов, демонстрируя перспективность механохимического метода для создания высокоэффективных керамических композитов на основе нитрида алюминия, предназначенных для эксплуатации в условиях высоких механических и термических нагрузок.

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