ARTICOLO RETRATTO: Miglioramento della resistenza all'ossidazione tramite un self

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20198 (2016) Citare questo articolo

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Questo articolo è stato ritirato il 22 dicembre 2022

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Un rivestimento di carburo di boro è stato applicato alle particelle di diamante riscaldando le particelle in una miscela di polvere costituita da H3BO3, B e Mg. Sono stati studiati la composizione, lo stato di legame e la frazione di copertura del rivestimento di carburo di boro sulle particelle di diamante. Il rivestimento in carburo di boro preferisce crescere sulla superficie del diamante (100) piuttosto che su quella del diamante (111). Un rivestimento stechiometrico B4C ha coperto completamente la particella di diamante dopo aver mantenuto la miscela grezza a 1200°C per 2 ore. È stato studiato il contributo del rivestimento in carburo di boro al miglioramento della resistenza all'ossidazione delle particelle di diamante. Durante la ricottura del diamante rivestito all'aria, il priorato ha formato B2O3, che presenta proprietà autoriparanti, come strato barriera all'ossigeno, che protegge il diamante dall'ossidazione. La temperatura di formazione di B2O3 dipende dal contenuto di carburo di boro amorfo. Il rivestimento sul diamante ha fornito una protezione efficace del diamante contro l'ossidazione mediante riscaldamento in aria a 1000 °C per 1 ora. Inoltre, la presenza del rivestimento in carburo di boro contribuisce anche al mantenimento della resistenza statica alla compressione durante la ricottura del diamante in aria.

Il diamante ha la massima durezza e un'eccellente conduttività termica, il che lo rende utile per materiali compositi rinforzati, come i diamanti compatti, che sono potenziali candidati per l'uso in una varietà di applicazioni, come punte da trapano, segmenti di lame per seghe, mole, taglio e lucidatura utensili e dissipatori di calore per dispositivi elettronici1,2,3,4,5. Il processo di produzione degli utensili diamantati richiede una temperatura elevata. Tuttavia, l’ossidazione del diamante avviene a circa 700°C nell’aria, il che porta a una perdita catastrofica delle sue proprietà meccaniche e ne limita le ampie applicazioni in condizioni ossidanti. Pertanto, la protezione dall'ossidazione ad alta temperatura del diamante è molto importante per le applicazioni pratiche degli utensili diamantati.

L'ossido di boro (B2O3) ha molte proprietà vantaggiose che lo rendono utile per applicazioni di protezione dall'ossidazione. B2O3 possiede una bassa permeabilità all'ossigeno, una maggiore fluidità e una buona bagnabilità sui materiali in carbonio al di sotto di 1000 °C, il che si traduce in rivestimenti autoriparanti sui materiali in carbonio6,7,8,9,10,11. Tuttavia, se esposto all'umidità ambientale, l'idrolisi di B2O3 provoca il rigonfiamento e lo sgretolamento del vetro, il che può provocare la spallazione del rivestimento a temperatura ambiente a causa del rigonfiamento del vetro o la spallazione durante il riscaldamento a causa del rilascio di umidità12. Il borato idrato (cioè Na2B4O7•10H2O) è un sostituto comune. Tuttavia, anche l'utilità dei vetri borati è limitata perché i borati idrati sono altamente volatili. Pertanto, l’esaurimento del vetro può verificarsi a temperature relativamente basse in ambienti umidi13. Il drogaggio del boro nel diamante è un percorso efficace per migliorare la resistenza all'ossidazione del diamante. Molti studi hanno dimostrato che la resistenza all'ossidazione del diamante drogato con boro aumenta all'aumentare del contenuto di boro e sono stati proposti diversi meccanismi per l'inibizione del boro14,15,16. Lo svantaggio principale del diamante drogato con boro è la degradazione della cristallinità. Gli spettri Raman nel rif. 14 indicano che un aumento del contenuto di boro si traduce in un picco del diamante più ampio così come in altri picchi di impurità (strutture amorfe). Zhang et al.17 hanno anche riferito che la percentuale di cristalli di alta qualità di diamante ad alta pressione e alta temperatura (HPHT) diminuiva continuamente all'aumentare del contenuto di boro.

I rivestimenti in carburo di boro (B4C) sono interessanti per il loro potenziale utilizzo per migliorare la resistenza all’ossidazione del diamante. L'ossidazione del B4C avviene a circa 700 °C e forma una barriera all'ossigeno B2O318. Inoltre, il B4C è un materiale duro refrattario, insolubile in acqua e chimicamente inerte al di sotto dei 700 °C 19. Queste ragioni suggeriscono che un rivestimento in carburo di boro ha il potenziale per migliorare la resistenza all'ossidazione del diamante. Tuttavia, il B4C di alta qualità richiede un'elevata temperatura di sintesi e un lungo tempo di mantenimento19,20,21 perché il processo è altamente endotermico e richiede 16.800 kJ/mol di B4C22. Recentemente, Ras et al.23 hanno sintetizzato con successo un rivestimento B4C su particelle di diamante utilizzando una miscela di B e H3BO3 come fonti di boro. La nucleazione di B4C è stata ottenuta dopo 2 ore di mantenimento a 1050°C e la copertura completa delle particelle di diamante con B4C è stata ottenuta dopo 6 ore di mantenimento a 1150°C. Tuttavia, la qualità del prodotto del rivestimento (ad esempio, la composizione) deve ancora essere valutata. Hu e Kong3 hanno anche sintetizzato un rivestimento B4C su particelle di diamante utilizzando lo stesso metodo riportato nel rif. 23 a 850°C. Tuttavia, una grande quantità di grafite è stata ottenuta sulla base dell'analisi della spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS). Inoltre, l’influenza della temperatura di sintesi sulla nucleazione e sulla crescita del rivestimento B4C su diverse superfici di un diamante monocristallino non è stata precedentemente studiata. Inoltre, l’influenza del rivestimento in carburo di boro sull’aumento della resistenza all’ossidazione delle particelle di diamante non è stata precedentemente studiata.