alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2017.19-21.106-115alternative-1124Research ArticleКОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫSTRUCTURAL MATERIALSНАНО- И МИКРОЧАСТИЦЫ HfB2: КОЭФФИЦИЕНТ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ И ЕГО АНИЗОТРОПИЯNANO AND MICROPARTICLES of HfB2: THERMAL-EXPANSION COEFFICIENT AND ITS ANISOTROPYКовалевД. Ю.KovalevD. Yu.

канд. техн. наук, заведующий лабораторией рентгеноструктурных исследований

Ph.D. (engineering), Head of X-ray Diffraction Researches Laboratory

kovalev@ism.ac.ruШилкинС. П.ShilkinS. P.

канд. хим. наук, ведущий научный сотрудник, руководитель группы наноразмерных пленок и порошков

Ph.D. (chemistry), Leading Researcher, Head of the group of Nanosized Films and Powders

ssp@icp.ac.ruКоновалихинС. В.KonovalikhinS. V.

канд. хим. наук, старший научный сотрудник

Ph.D. (chemistry), Senior Scientist

kovalev@ism.ac.ruКалинниковГ. В.KalinnikovG. V.

канд. хим. наук, старший научный сотрудник

Ph.D. (chemistry), Senior Scientist

ssp@icp.ac.ruКоробовИ. И.KorobovI. I.

канд. хим. наук, старший научный сотрудник

Ph.D. (chemistry), Senior Scientist

ssp@icp.ac.ruКравченкоС. Е.KravchenkoS. E.

научный сотрудник

Researcher

ssp@icp.ac.ruХоменкоН. Ю.ChomenkoN. Yu.

младший научный сотрудник

Junior Researcher

kovalev@ism.ac.ruАндриевскийР. А.AndrievskiR. A.

д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник

D.Sc. (engineering), Professor, Chief Researcher

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наукРоссияInstitute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут проблем химической физики Российской академии наукРоссияInstitute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут проблем химической физики РАНРоссияInstitute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian Federation201715102017019-21106115Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20172017Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1124

Рассматривался вопрос о влиянии размерного фактора на коэффициент термического расширения (КТР) диборида гафния. Методом высокотемпературной рентгенографии проведены измерения параметров кристаллической решетки нано- и микрокристаллического диборида гафния в температурном интервале 300– 1 500 K. Размер областей когерентного рассеяния нанокристаллического HfB2 составил 15 нм и оставался постоянным при нагреве. Анализ температурной зависимости параметров нано- и микрокристаллического HfB2 показал, что метрика ячейки увеличивалась с ростом температуры нелинейно. Впервые определены КТР расширения нано- и микрокристаллического HfB2 в направлении кристаллографических осей a и c. Получены аналитические выражения температурной зависимости параметров ячейки нано- и микрокристаллического HfB2 в виде полиномов 2 степени. При линейной аппроксимации температурной зависимости параметров решетки, то есть при отсутствии температурной зависимости КТР в исследуемом диапазоне температур, КТР микрокристаллического HfB2 составил: αa = 7,37 · 10–6 и αс = 7,48 · 10–6 K –1 для осей 0a и 0c соответственно. КТР микрокристаллического HfB2, рассчитанный по рентгеноструктурным данным, соответствует определенному дилатометрическим методом КТР – α = 7,49 · 10-6 K -1 . При линейной аппроксимации температурной зависимости параметров решетки КТР нанокристаллического HfB2 составил: αa = 7,40 ·10–6 и αс = 9,88 · 10–6 K –1 для осей 0a и 0c соответственно. Результаты работы показали, что HfB2 в нанокристаллическом состоянии обладает большим КТР по сравнению с микрокристаллическим аналогом. Выявленные различия КТР нано- и микрокристаллического HfB2 связаны с повышением поверхностной энергии материала при увеличении дисперсности. Обнаружена анизотропия термического расширения как микро-, так и нанокристаллического HfB2 – KTР по оси 0c выше, чем в направлении оси 0a. Анизотропия КТР объясняется исходя из анализа длины и характера связей в кристаллической структуре HfB2. Существенная анизотропия КТР для наноразмерного HfB2 указывает на преимущественный рост ангармонизма атомных колебаний в нанокристаллах в направлении оси 0c. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых экологически чистых материалов для нужд альтернативной энергетики.

 

The paper deals with the influence of a dimension factor on the thermal-expansion coefficient (TEC) of hafnium diboride. Nano-sized and microcrystalline hafnium diboride is investigated by method of X-ray diffraction in the temperature range of 300–1500 K. The size of nanocrystal HfB2 with coherent scattering is 15 nanometers and remained constant during heating. The analysis of temperature dependence of the nano and microcrystalline HfB2 parameters shows the non-linear growth of the cell metrics with increase in temperature. For the first time, the TEC of nano and microcrystalline HfB2 in the directions of crystallographic axes a and c are defined. The analytical expressions of temperature dependences of nano and microcrystalline HfB2 of the cell parameters are received in the form of 2 degree polynomials. At the linear approximation of temperature dependence of the lattice parameters (i.e. at lack of temperature dependence of TEC), the TEC of microcrystalline HfB2 in the studied temperature range are αa = 7.37 · 10–6 and αс = 7.48 · 10–6 K –1 for axes 0a and 0c respectively. The TEC of microcrystalline HfB2 calculated according to X-ray diffraction data corresponds to TEC calculated by a dilatometric technique α = 7.49 · 10–6 K –1 . At linear approximation of temperature dependence of the lattice parameters, the TEC of the nanocrystal HfB2 are αa = 7.40 · 10–6 and αс = 9.88 · 10–6 K –1 for axes 0a and 0c respectively. The paper shows that the TEC of HfB2 in nanocrystalline state is greater than the TEC of microcrystalline one. The difference between the TEC of nano and microcrystalline HfB2 are bound with increase in the surface energy of material with increase in dispersion. The paper finds the anisotropy of thermal expansion both micro and nanocrystal HfB2. The TEC on the axis 0c is higher than the TEC on the axis 0a. The anisotropy of TEC is explained taking into account the lengths and the nature of interconnections in crystalline structure of HfB2. The essential anisotropy of TEC in nanodimensional HfB2 indicates the domination of the atomic fluctuations anharmonicity growth in nanocrystals in the direction of the axis 0c. The results obtained can be employed to create new environmentally friendly materials for the needs of alternative power engineering.

 

диборид гафниянаноразмерные частицы диборида гафниямикрокристаллические частицы диборида гафниявысокотемпературная рентгенографиякоэффициент термического расширенияанизотропияhafnium diboridenano-sized particles of hafnium diboridemicrocrystalline particles of hafnium diboridehigh temperature x-ray diffractionthermal-expansion coefficientanisotropyReferencesSimonenko, E.P. Promising Ultra High Temperature Ceramic Materials for Aerospace Applications [Text] / E.P. Simonenko [et al.] // Russ. J. Inorg. Chem. – 2013. – Vol. 58. – No 14. – Р. 1669–1693.Simonenko E.P. Sevast'yanov D.V., Simonenko N.P., Sevast'yanov V.G., Kuznetsov N.T. Promising Ultra High Temperature Ceramic Materials for Aerospace. Applications Russ. J. Inorg. Chem., 2013;58(14):1669–1693 (in Eng.).Upadhya, K. Materials for ultra-high temperature structural applications / K. Upadhya, J.M. Yang, W.P. Hoffman // Am. Ceram. Soc. Bull. – 1997. – Vol. 76. – P. 51–56.Upadhya K., Yang J.M., Hoffman W.P. Materials for ultra-high temperature structural applications. Am. Ceram. Soc. Bull., 1997;76:51–56 (in Eng.).Fahrenholtz, W.G. Refractory diborides of zirconium and hafnium [Text] / W.G Fahrenholtz [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. – 2007. – Vol. 90. – Р. 1347–1364.Fahrenholtz W.G., Hilmas G.E., Talmy I.G., Zaykoski J.A. Refractory diborides of zirconium and hafnium. J. Am. Ceram. Soc., 2007;90:1347–1364 (in Eng.).Opeka, M. M. Oxidation-Based Materials Selection for 2000 0C + Hypersonic Aero surfaces: Theoretical Considerations and Historical Experience [Text] / M.M. Opeka, I.G. Talmy, J. A. Zaykoski // J. Mater. Sci. – 2004. – Vol. 39. – No 19. – Р. 5887–5904.Opeka M.M., Talmy. I.G. and Zaykoski J.A. Oxidation-Based Materials Selection for 2000ºC + Hypersonic Aero surfaces: Theoretical Considerations and Historical Experience. J. Mater. Sci., 2004;39(19):5887– 5904 (in Eng.).Monteverde, F. Processing and properties of ultra-high temperature ceramics for space applications [Text] / F. Monteverde, A. Bellos, L. Scatteia // Mater. Sci. Eng. – 2008. – Vol. 485. – Р. 415–421.Monteverde F., Bellos A., Scatteia L. Processing and properties of ultra-high temperature ceramics for space applications. Mater. Sci. Eng., A 2008;485:415–421 (in Eng.).Savinoa, R. Arc-jet testing on HfB2 and HfCbased ultra-high temperature ceramic materials [Text] / R. Savinoa [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. – 2008. – Vol. 28. – Р. 1899–1907.Savinoa R., Stefano Fumo M.De, Silvestron L., Sciti D. Arc-jet testing on HfB2 and HfC-based ultrahigh temperature ceramic materials. J. Eur. Ceram. Soc., 2008;28:1899–1907 (in Eng.).Андриевский, Р.А. Наноструктурные дибориды титана, циркония и гафния: синтез, свойства, размерные эффекты, стабильность [Текст] / Р.А. Андриевский // Успехи химии. – 2015. – Т. 84. – С. 540 – 554.Andrievski R.A. Nanostructured titanium, zirconium and hafnium diborides: the synthesis, properties, size effects and stability (Nanostrukturnye diboridy titana, cirkoniya i gafniya: sintez, svojstva, razmernie jeffekty i stabil'nost'). Russ Chem Rev., 2015:84;540–554 (in Russ.)Andrievski, R.A. Nanomaterials in Extreme Environments. Fundamentals and Applications [Text] / R.A. Andrievski, A.V. Khatchoyan. – Springer, Heidelberg, 2016. – 107 p.Andrievski R.A., Khatchoyan A.V. Nanomaterials in Extreme Environments. Fundamentals and Applications, Heidelberg: Springer, 2016 (in Eng.).Carenco, S. Nanoscaled metal borides and phosphides: recent developments and perspectives [Text] / S. Carenco [et al.] // Chem. Rev. – 2013. – Vol. 113. – No 10. – P. 7981–8065.Carenco S., Portehault D., Boissiere C., Mezailles N., Sanchez C. Nanoscaled metal borides and phosphides: recent developments and perspectives. Chem. Rev., 2013;113(10):7981–8065 (in Eng.).Vajeeston, P. Electronic Structure, Bonding, and Ground State Properties of AlB2-Type Transition Metal Diborides [Text] / P. Vajeeston P. [et al.] // Phys. Rev. B – 2001. – Vol. 63. – No 4. – Р. 04115(1)–04115(12).Vajeeston P., Ravindran P., Ravi C., Asokamani R. Electronic Structure, Bonding, and Ground State Properties of AlB2-Type Transition Metal Diborides. Phys. Rev. B, 2001;63(4):04115(1)–04115(12) (in Eng.).Cutle R.A. Engineering Properties of Borides. pp. 787–803 in Ceramics and Glasses: Engineered Materials Handbook, Vol. 4: Edited by S.J. Schneider Jr. ASM International, Materials Park, OH, 1991.Cutle R.A. Engineering Properties of Borides in Ceramics and Glasses: Engineered Materials Handbook, edited by S. J. Schneider Jr., Ohio: ASM International, 1991;(4):787–803 (in Eng.).Chase, M. W. Jr. NIST-JANAF Thermochemical Tables. – American Chemical Society and the American Institute of Physics, Woodbury, NY, 1998.NIST-JANAF Thermochemical Tables, edited by M. W. Chase Jr., NY: American Chemical Society and the Woodbury, American Institute of Physics, 1998 (in Eng.).Wuchina, E. Designing for Ultrahigh-Temperature Applications: The Mechanical and Thermal Properties of HfB2, HfCx, and a-Hf(N) [Text] / E. Wuchina [et al.] // J. Mater. Sci. – 2004. – Vol. 39. – Р. 5939–594.Wuchina. E., Opeka M., Causey S., Buesking S., Spain J., Cull A, Routbort J., Guitierrez-Mora F. Designing for Ultrahigh-Temperature Applications: The Mechanical and Thermal Properties of HfB2, HfCx, and aHf(N). J. Mater. Sci., 2004;39:5939–5949 (in Eng.).Андриевский, Р.А. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе [Текст] / Р.А. Андриевский, И.И. Спивак. – Справочник. Челябинск: Изд-во Металлургия, 1989. – 368 с.Andrievski R.A., Spivak I.I. Durability of refractory compounds and materials on it's basis (Prochnost' tugoplavkih soedineniy i materialov na ih osnove) R.A. Andrievski and I.I. Spivak Reference book, Chelyabinsk: Mettalurgiya Publ., 1989 (in Russ.)Серебрякова, Т.И. Высокотемпературные бориды [Текст] / Т.И Серебрякова, В.А. Неронов, П.Д Пешев. – М.: Изд-во Металлургия, 1991. – 368 с.Serebryakova T.I., Neronov V.A., Peshev P.D. High-temperature borides (Vysokotemperaturnye boridy). Moscow: Metallurgiya Publ., 1991 (in Russ.).Basu, B. Advanced Structural Ceramics [Text] / B. Basu, K. Balani. – Wiley, Hoboken, 2011. – 474 p.Basu B., Balani K. Advanced Structural Ceramics NJ: Wiley, 2011 (in Eng.).Nakamory, F. Mechanical and thermal properties of bulk ZrB2 [Text] / F. Nakamory [et al.] // J. Nucl. Mater. – 2015. – Vol. 467. – P. 612.Nakamory F., Ohishi Y., Muta H., Kurosaki K., Fukumoto K.-I., Yamanaka Sh. Mechanical and thermal properties of bulk ZrB2. J. Nucl. Mater., 2015;467:612– 617 (in Eng.).Loehman, R. Ultra-high temperature ceramics for hypersonic vehicle applications [Text] / R Loehman, E. Corral, H-P. Dumm, P. Kotula, R. Tandon // Sandia Report, SAND2006-2925, Albuquerque, NM; 2006.Loehman R, Corral E, Dumm H-P, Kotula P, Tandon R. Ultra-high temperature ceramics for hypersonic vehicle applications, Sandia Report SAND2006- 2925, NM: Albuquerque, 2006. (in Eng.).Pilladi, T.R. Thermal expansion of nanocrystalline boron carbide/ T.R. Pilladi [et al.] // Ceramic Intern. –2012. – Vol. 38. – Р. 3723–3728.Pilladi T.R., Panneerselvam G., Anthonysamy S., Ganesam V. Thermal expansion of nanocrystalline boron carbide. Ceramic Intern., 2012;38:3723–3728 (in Eng.).Kuru, Y. Crystallite size dependence of the coefficient of thermal expansion of metals [Text] / Y. Kuru [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2007. – Vol. 90. – Р. 243113(1)–243113(3).Kuru Y., Wohlschlögel M., Welzel., U., and Mittemeijer E. J. Crystallite size dependence of the coefficient of thermal expansion of metals. Appl. Phys. Lett., 2007;90: 243113(1)–243113(3) (in Eng.).Садовников, В.И. Тепловое расширение наноструктурированных пленок PbS и ангармонизм атомных колебаний [Текст] / В.И. Садовников, А.И. Гусев // Физ. тв. тела. – 2014. – Т. 56. – С. 2274–2278.Sadovnikov V.I., Gusev A.I. Thermal expansion of the nanostructured PbSi films and anharmonicity of atomic fluctuations (Teplovoe rasshirenie nanostrukturirovannih plenok PbS i angarmonizm atomnih kolebaniy). Phys. Solid State, 2014;56:2274– 2278 (in Russ.).Гусев, А.И. Тепловое расширение нанокристаллического и крупнокристаллического сульфида серебра Ag2S [Текст] / А.И. Гусев [и др.] // Физ. тв. тела. – 2016. – Т. 58. – С. 246–251.Gusev A.I., Sadovnikov V.I., Chukin A.V., Rempel' A.A. Thermal expansion of nanocrystal and macrocrystalline Ag2S (Teplovoe rasshirenie nanokristallicheskogo i krupnokristallicheskogo Ag2S). Phys. Solid State, 2016;58:246–251 (in Russ.).Кравченко, С.Е. Особенности получения наноразмерного диборида гафния различной дисперсности [Текст] / С.Е. Кравченко [и др.] // Журнал общей химии. – 2015. – Т. 85. – № 5. – С. 720 – 725.Kravchenko S.E., Burlakova A.G., Shul'ga Yu.M., Korobov I.I., Domashnev I.A., Dremova N.N., Kalinnikov G.V., Shilkin S.P., Andrievski R.A. et al. Special features of preparation of nanosized hafnium diboride of different dispersity (Osobennosti polucheniya nanorazmernogo diborida gafniya razlichnoi disperstnosti). Russ. J. Gen. Chem. 2015;85:720–725 (in Russ.).Pease, R.S. An X-ray study of boron nitride / R.S. Pease // Acta Crystallogr. –1952. – Vol. 5. – P. 356–361.Pease, R.S. An X-ray study of boron nitride. Acta Crystallogr., 1952;5:356–361 (in Eng.).Langreiter, T. TEV – A Program for the Determination of the Thermal Expansion Tensor from Diffraction Data [Text] / T. Langreiter, T. [et al.] // TEV – A Program for the Determination of the Thermal Expansion Tensor from Diffraction Data // Crystals. – 2015. – Vol. 5. – P. 143–153.Langreiter T., Kahlenberg V. TEV–A Program for the Determination of the Thermal Expansion Tensor from Diffraction Data. Crystals, 2015;5:143–153 (in Eng.).Бацанов, С.С. Структурная химия [Текст] / С.С. Бацанов. – Факты и зависимости. – М: Диалог- МГУ, 2000. – 292 с.Bacanov S.S. Structural chemistry (Strukturnaya himiya). Moscow: Dialog MGU, 2000 (in Russ).Коновалихин, С.В. Особенности кристаллической структуры нового соединения C4B25Mg1,42 [Текст] / С.В. Коновалихин [и др.] // Кристаллография. – 2015. – Т. 60. – № 5. – С. 691–694.Konovalikhin S.V., Ponomarev V.I. Crystal structure features in a new compound C4B25Mg1.42 (Osobennosti kristallicheskoj strukturi novogo soedineniya C4B25Mg1,42). Crystallogr. Rep., 2015;60:700–703 Rep. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.