Reaction Sintered Materials Based on Boron Carbide and Silicon Carbide (Review)

Abstract

The particulars of phase and structure formation during reaction sintering of materials based on boron carbide and silicon carbide are examined, and the actual technological aspects of reaction sintering are analyzed. The main physical and mechanical characteristics of reaction sintered material based on silicon carbide and boron carbide and their relation to the structure of the material are discussed.Reaction sintering of refractory covalent compounds attracts developers and manufacturers of materials made from solid high-strength ceramic by its practicability and low energy intensiveness compared with other methods of compaction, viz., hot pressing and free sintering. The materials obtained by reaction sintering of porous blanks based on silicon carbide (SiSiC, reaction sintered, or self-bound, silicon carbide [1 -4]) are widely used as durable, very hard, heat-resistant, and impact-resistant structural materials.In recent years successful attempts have been made to obtain a material based on boron carbide (RBBC) similar to similar reaction sintered silicon carbide [5 -12] and to develop a technology for its commercial production [13 -16]. In spite of the considerable differences characterizing the reaction sintering processes for SiC and B 4 C it was demonstrated that the technology of impregnating with silicon melt porous blanks based on B 4 C in order to obtain dense materials is in principle possible. The non-shrinking and non-porous composite based on very hard and light B 4 C, obtained at relatively low reaction-sintering temperatures, is a very promising alternative to reaction sintered SiC material.The composition, structure, and properties of reaction sintered boron carbide are determined by a number of factors: the granulometric composition of the initial powders, the phase composition and porosity of the blank, and the capacity of the silicon melt to wet the surface of all solid components of the blank with different technological parameters (sintering temperature, time). On the whole, these factors all affect the key parameter for silicon-impregnated materials: the amount of residual (unreacted) silicon present in the sintered material, which lowers the overall hardness level, strength, and cracking resistance.In the last ten years many researchers have studied from different positions the effect of the diverse physical and chemical aspects of obtaining reaction sintered boron carbide on its structure, phase composition, and properties. It is of great interest to colligate this information for current ceramic materials science and technology of reaction sintered materials.The granulometric composition of batch and the monoor polydispersity and morphology of the powders used affect the relative density and porosity of the blank at the pressing stage [6,12]. During impregnation the pore volume is filled with silicon melt, which is partially expended on the synthesis of silicon carbide. The amount of reacted silicon is determined by the amount of free carbon (or other source of carbon) present in the...

Structure, properties and applications of graphite-like hexagonal boron nitride

“…Несмотря на использование турбостратного BN горячепрессованные материалы по уровню прочности заметно уступают (в 3-5 раз) горячепрессованным и спеченным материалам на основе ковалентных соединений B 4 C [31][32][33][34], SiC [35,36] и Si 3 N 4 [37,38], что еще раз показывает сложность спекания и достижения высокого уровня механических свойств материалов на основе порошков BN.…”

High-Density Boron-Carbide Ceramics

“…Показано [15], что для прохождения реакции Si (ж) + C (тв) → SiC (тв) в SiSiC-материале при введении в состав 15 мас. % сажи кажущаяся плотность ρ, рассчитанная по формуле ,…”

“…Реакционно-спеченные карбидкремниевые материалы (SiSiC) получают пропиткой кремнием пористых заготовок, состоящих из многофракционных порошков карбида кремния и сажи (фракция 1 состоит из порошка размерами 20-50 мкм, фракция 2 -из порошка размерами 3-10 мкм и при необходимости фракция 3 из порошка размерами 0,8-5,0 мкм). Кремний растворяет в своем составе углерод, насыщая расплав до предела растворимости карбида кремния в кремнии, затем кристаллизуется в виде вторичного β-SiC на поверхности первичных зерен карбида кремния [15]. Полученные SiSiC-материалы являются беспористыми и обладают повышенной хрупкостью (из-за значительного содержания свободного кремния в спеченном материале -10-15 об.…”

“…Аналогичная технология получения реакционно-спеченного карбида бора (RBBC) имеет ряд особенностей. В частности, наблюдается высокая реакционная способность карбида бора в расплаве кремния, приводящая к образованию более хрупкой фазы B 12 (C, Si, B) 3 на поверхности зерен В 4 С [15], что значительно снижает уровень механических свойств (в частности, HV 22-24 ГПа) в отличие от высоких значений у горячепрессованных материалов (HV 33-35 ГПа) [5]. Традиционный метод получения RBBC-материалов заключается в пропитке заготовок избыточным количеством кремния, что увеличивает объем растворившихся зерен карбида бора и повышает содержание свободного кремния в спеченном материале, а следовательно, приводит к возрастанию хрупкости керамики.…”

Gel‐casting process‐derived 3D‐interconnected porous carbon/B4C preform for reaction‐bonded boron carbide composites

“… To prepare B 4 C‐based composite materials is instead an applicable way to circumvent this problem by means of conventional densification techniques. Meanwhile, liquid silicon infiltration (LSI) process is of particular interest especially for net dimensional fabrication of reaction‐bonded boron carbide (RBBC) composites at low temperatures …”