Улучшенные механические свойства и устойчивость к окислению керамики диборида циркония за счёт измельчения зерен и регулирования дислокаций

Диборид циркония (ZrB2) рассматривается как один из наиболее перспективных материалов для работы при ультра-высоких температурах в экстремальных условиях. Однако трудности изготовления ZrB2 ограничивают его промышленное применение. В настоящей работе был получен полностью плотный и измельчённый ZrB2 при ультра-высоком давлении 15 ГПа и относительно низкой температуре 1450 °C. Полученный материал демонстрирует отличные механические свойства и устойчивость к окислению. По сравнению с исходным порошком размер зерен уменьшился на 56%. По сравнению с контрольным образцом, спечённым при высокой температуре свыше 2000 °C, твёрдость и сопротивление распространению трещин (прочность при изгибе) увеличились примерно на 46% и 69% соответственно; плотность дислокаций возросла на три порядка, тогда как размер зерен сократился примерно на 96%. Учитывая эффекты упрочнения при деформации (work hardening), эффект Холла–Пэтча и упрочнение за счёт дислокаций по Тейлору, укрупнённые зерна, субструктуры и высокая плотность дислокаций, возникающие в результате пластической деформации в процессе спекания, способствуют улучшению механических свойств. Уникальная структура повышает пороговую температуру окисления примерно на 250 °C по сравнению с высокотемпературно спечённым ZrB2, достигая одного из наивысших значений (1100 °C) среди известных монолитных керамик для ультра-высоких температур. Предложен и обоснован механизм уплотнения, основанный на размножении дислокаций с одновременным измельчением зерен, который доминирует в процессе спекания и отвечает за одновременное улучшение механических и антикоррозионных свойств.