Анотація до роботи:

Іценко П. Діаграма стану і закономірності синтезу кубічного нітриду бору в системі Mg–B–N.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. - Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, Київ, 2006.

Методами гартування від високого тиску, металографічного, рентгенівського та мікрорентгеноспектрального аналізів, а також in situ методом енергодисперсійної дифрактометрії експериментально вивчені фазові рівноваги при тиску 0–5,5 ГПа та синтез кубічного нітриду бору у системі Mg–B–N. Шляхом термодинамічного розрахунку з застосуванням одержаних експериментальних даних побудовані діаграми стану систем Mg–B–N та Mg–B при тиску 4,5 ГПа. Система Mg–B характеризується наявністю трьох евтектичних та однієї перитектичної рівноваги, при цьому бориди MgB₂ і MgB₇ плавляться конгруентно, а борид MgB₄ – інконгруентно. В системі Mg–B–N існує сім нонваріантних чотирифазних рівноваг, шість з яких перитектичні, а одна – евтектична. Встановлена мінімальна температура кристалізації cBN з розчину у розплаві (1600 К при 4,5 ГПа).

Проведено порівняльний синтез cBN в системі Mg–B–N за промисловою технологією при застосуванні різних розчинників. Визначені мінімальні р, Т параметри переходу hBNcBN та проведено порівняння одержаних кристалів cBN. Розроблено новий склад шихти з суміші hBN, Mg та Mg₃N₂ для синтезу кубічного нітриду бору, застосування якої знижує температуру синтезу.

У роботі вирішена актуальна науково-технічна задача, яка полягає в побудові діаграми стану системи Mg–B–N та встановленні закономірностей синтезу кубічного нітриду бору в цій системі, внаслідок чого удосконалена методика синтезу cBN.

В результаті проведених комплексних досліджень та термодинамічного розрахунку отримані наступні результати:

1. Шляхом гартувальних експериментів, а також in situ методом енергодисперсійної дифрактометрії проведено комплексні дослідження фазових рівноваг в системі Mg–B–N при тисках до 5,5 ГПа і температурах до 2000 К. Встановлено склад фаз та послідовність їх кристалізації.

2. Встановлено, що кристалізації кубічного нітриду бору з розчину у розплаві потрійної системи Mg–B–N при високих тисках і температурах передує інконгруентне плавлення сполук MgB₂ та Mg₃B₂N₄ або MgB₄ за перитектичними реакціями.

3. Визначено р,Т,с-параметри утворення дибориду магнію MgB₂ в системах Mg–B та Mg–B–N. В системі Mg–B диборид магнію можна отримати в результаті твердофазної реакції магнію та бору (860 К при 2,8 ГПа та 1060 К при 5,5 ГПа). Краща якість кристалів дибориду магнію, синтезованого при високих тисках в ампулах з гексагонального нітриду бору, пояснюється наявністю в системі рідкої фази. В системі Mg–B–N кристалізація MgB₂ при 4,5 ГПа відбувається в діапазоні температур 825–1800 К.

4. Результати досліджень використані для знаходження параметрів взаємодії у феноменологічних моделях фаз вивченої системи. Виконано термодинамічний розрахунок діаграми плавкості подвійної системи Mg–B та фазових рівноваг за участю нітриду бору і боридів магнію в потрійній системі Mg–B–N при тиску 4,5 ГПа.

Подвійна система Mg–B характеризується наявністю трьох евтектичних – L D Mg + MgB₂ (840 К), L D MgB₂ + MgB₄ (2140 К), L D MgB₇ + B (2300 К) – і одної перитектичної – L + MgB₇ D MgB₄ (2230 К) – рівноваг, при цьому бориди MgB₂ і MgB₇ плавляться конгруентно, а борид MgB₄ – інконгруентно. Рівноваги рідкої фази з боридом MgB₁₂ є метастабільними як при атмосферному тиску, так і при 4,5 ГПа.

Система Mg–B–N характеризується наявністю семи нонваріантних чотирифазних рівноваг. Це шість перитектичних – L + B D MgB₇ + BN (2150 К), L + MgB₇ D MgB₄ + BN (1920 К), L + MgB₄ D MgB₂ + BN (1800 К), L + BN D Mg₃B₂N₄ + MgB₂ (1600 К), L + Mg₃B₂N₄ D Mg₃BN₃ + MgB₂, L + Mg₃BN₃ D Mg₃N₂ + MgB₂, та одна евтектична – L D Mg + Mg₃N₂+ MgB₂ (близько 800-820 К).

5. Визначено мінімальну температуру кристалізації cBN з розчину в розплаві. При 4,5 ГПа вона складає 1600 К і відповідає температурі стабільної рівноваги кубічного нітриду бору з рідкою фазою складу 46 Mg, 21 В, 33 N (мол.%) в площині перитектичної рівноваги L + BN D Mg₃B₂N₄+ MgB₂.

6. Здійснено синтез cBN за промисловою технологією в системах Mg₃N₂–BN, Mg–BN та MgB₂–BN. Проведено порівняння виходу кінцевого продукту, описано кристалографічні характеристики отриманого cBN. Визначено р,Т-області синтезу cBN у системі Mg–B–N з вихідної сировини різного складу. Підтверджено, що р,Т-параметри утворення кубічного нітриду бору є мінімальними у випадку використання в якості розчинника Mg₃N₂.

7. Проведено синтез кубічного нітриду бору з застосуванням експериментальної реакційної шихти, склад якої був розроблений за результатами даної роботи. Синтез cBN з запропонованої суміші відбувається при температурі нижчій, ніж з шихти серійного складу, а отриманий продукт за своїми властивостями близький до отриманого в системі Mg₃N₂–BN.

Основні матеріали дисертації опубліковано в наступних роботах:

1. Диаграмма состояния системы Mg–B при высоких давлениях / В. З. Туркевич, О.Г. Кулик, П. П. Иценко, А. Н. Соколов, А. Н. Луценко, А. Н. Ващенко // Сверхтвердые материалы. – 2003. – №1. – С. 9-14.

2. Диаграмма состояния системы Mg–B–N при высоких давлениях / В. З. Туркевич, В. Л. Соложенко, О. Г. Кулик, П. П. Иценко, А. Н. Соколов, А. Н. Луценко, А. Н. Ващенко // Сверхтвердые материалы. – 2003. – №6. – С. 18-25.

3. Kinetics and Mechanism of Cubic Boron Nitride Formation in the AlN–BN System at 6 ГПа / Turkevich V., Itsenko P., Taniguchi T., Andreev A. // Diamond and Related Materials. – 2004. – V.13. – Is.1. – P. 64-68.

4. Иценко П., Туркевич В. Механизм синтеза кубического нитрида бора в системах Mg–BN и Al–BN // Физика и техника высоких давлений. – 2004. – Т. 14. – № 2. – С. 65-73.

5. Mechanism of Cubic Boron Nitride Formation and Phase Relations in the Mg–BN and AlN–BN Systems / V. Turkevich, O. Kulik, P. Itsenko, T. Taniguchi, A. Andreev // NATO Science Series book “Innovative Superhard Materials and Sustainable Coatings for Advanced Manufacturing” ed. By J. Lee and N. Novikov. Dordrecht: Springer, 2005. – P. 309-318.

6. Исследование фазового состава продукта синтеза кубического нитрида бора / В.З. Туркевич, Г.П. Богатырева, Н.А. Олейник, О.Г. Кулик, П.П. Иценко. // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. трудов. – Киев: ИСМ НАН Украины, 2005.– Вып. 8. – С. 132-135.