Влияние активирующих добавок на процесс холодного спекания высокоэнтропийной керамики (MnFeCoNiCu)₃O₄

Цели. Получение экспериментальных данных о влиянии вида активирующей добавки на процесс холодного спекания высокоэнтропийной керамики состава (MnFeCoNiCu)₃O₄. В качестве активирующих добавок были использованы: ацетат аммония (CH₃COONH₄), уксусная кислота (CH₃COOH), аммоний хлористый (NH4Cl), калий фтористый 2-х водный (КF·2H₂O), литий фтористый (LiF), натрий фтористый (NaF), гидроксид натрия (NaOH).
Методы. Синтез исходного порошка методом низкотемпературного самораспространяющегося синтеза; исследование гранулометрического состава порошка методом лазерной дифракции; анализ формы частиц и микроструктуры скомпактированных образцов методом сканирующей электронной микроскопии; анализ фазового состава методом рентгенофазового анализа; консолидация образцов высокоэнтропийной керамики методом холодного спекания; плотность исходного порошка и относительная плотность образцов керамики холодного спекания определялись методом Архимеда.
Результаты. Образцы с относительной плотностью свыше 0.70 получены с применением дистиллированной воды, CH₃COONH₄ и NaOH в процессе холодного спекания при температуре 300 °С, времени выдержки 30 мин и давлении прессования 315 МПа.
Выводы. Впервые экспериментально показано влияние вида активирующей добавки на относительную плотность образцов высокоэнтропийной керамики (MnFeCoNiCu)₃O₄, полученных с помощью процесса холодного спекания. Микроструктуры образцов имеют выраженные отличия: 20 мас. % дистиллированной воды не приводит к росту зерен, наблюдается только их уплотнение до 0.71 относительной плотности; при добавлении 0.1 мас. % CH₃COONH₄ и NaOH наблюдается рост среднего размера зерен при достижении близких показателей относительной плотности (0.70 и 0.71 соответственно). Рентгенодифракционный анализ показал, что процесс холодного спекания порошка (MnFeCoNiCu)₃O₄ не приводит к изменению фазового состава исходного порошка, что свидетельствует о сохранении высокоэнтропийной структуры.

1. Yeh J.-W., Chen S.-K., Lin S.-J., Gan J.-Y., Chin T.-S., Shun T.-T., et al. Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes. Adv. Eng. Mater. 2004;6(5):299–303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567

2. George E.P., Raabe D., Ritchie R.O. High-entropy alloys. Nat. Rev. Mater. 2019;4(8):515–34. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0121-4

3. Oses C., Toher C., Curtarolo S. High-entropy ceramics. Nat. Rev. Mater. 2020;5(4):295–309. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0170-8

4. Dąbrowa J., Stygar M., Mikuła A., Knapik A., Mroczka K., Tejchman W., et al. Synthesis and microstructure of the (Co,Cr,Fe,Mn,Ni)3O4 high entropy oxide characterized by spinel structure. Mater. Lett. 2018;216:32–6. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.12.148

5. Mao A., Quan F., Xiang H.-Z., Zhang Z.-G., Kuramoto K., Xia A.-L. Facile synthesis and ferrimagnetic property of spinel (CoCrFeMnNi)3O4 high-entropy oxide nanocrystalline powder. J. Mol. Struct. 2019;1194:11–18. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2019.05.073

6. Mao A., Xiang H.-Z., Zhang Z.-G., Kuramoto K., Zhang H., Jia Y. A new class of spinel high-entropy oxides with controllable magnetic properties. J. Magn. Magn. Mater. 2020;497:165884. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165884

7. Witte R., Sarkar A., Kruk R., Eggert B., Brand R.A., Wende H., et al. High-entropy oxides: An emerging prospect for magnetic rare-earth transition metal perovskites. Phys. Rev. Mater. 201913;3(3):034406. https://doi.org/10.1103/Phys-RevMaterials.3.034406

8. Jimenez-Segura M.P., Takayama T., Bérardan D., Hoser A., Reehuis M., Takagi H., et al. Long-range magnetic ordering in rocksalt-type high-entropy oxides. Appl. Phys. Lett. 2019;114(12):122401. https://doi.org/10.1063/1.5091787

9. Dai S., Li M., Wang X., Zhu H., Zhao Y., Wu Z. Fabrication and magnetic property of novel (Co,Zn,Fe,Mn,Ni)3O4 high-entropy spinel oxide. J. Magn. Magn. Mater. 2021;536:168123. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168123

10. Bordia R.K., Kang S.L., Olevsky E.A. Current understanding and future research directions at the onset of the next century of sintering science and technology. J. Am. Ceram. Soc. 2017;100(6):2314–2352. https://doi.org/10.1111/jace.14919

11. Guo J., Floyd R., Lowum S., Maria J.-P., Herisson de Beauvoir T., Seo J.-H., Randall C.A. Cold Sintering: Progress, Challenges, and Future Opportunities. Annu. Rev. Mater. Res. 2019;49(1):275–295. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070218-010041

12. Maria J.-P., Kang X., Floyd R.D., Dickey E.C., Guo H., Guo J., et al. Cold sintering: Current status and prospects. J. Mater. Res. 2017;32(17):3205–3218. https://doi.org/10.1557/jmr.2017.262

13. Gonzalez-Julian J., Neuhaus K., Bernemann M., Pereira da Silva J., Laptev A., Bram M., et al. Unveiling the mechanisms of cold sintering of ZnO at 250 °C by varying applied stress and characterizing grain boundaries by Kelvin Probe Force Microscopy. Acta Mater. 2018;144(1):116–128. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.10.055

14. Galotta A., Sglavo V.M. The cold sintering process: A review on processing features, densification mechanisms and perspectives. J. Eur. Ceram. Soc. 2021;41(16):1–17. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.09.024

15. Ivakin Y., Smirnov A., Kholodkova A., Vasin A., Kormilicin M., Kornyushin M., et al. Comparative Study of Cold Sintering Process and Autoclave Thermo-Vapor Treatment on a ZnO Sample. Crystals. 2021;11(1):71. https://doi.org/10.3390/cryst11010071

16. Ivakin Yu.D., Smirnov A.V., Kormilitsin M.N., Kholodkova A.A., Vasin A.A., Kornyushin M.V., Tarasovskii V.P., Rybal’chenko V.V. Effect of Mechanical Pressure on the Recrystallization of Zinc Oxide in a Water Fluid Medium under Cold Sintering. Russ. J. Phys. Chem. B. 2021;15(8):1228–1250. https://doi.org/10.1134/S1990793121080054

17. Ivakin Y.D., Smirnov A.V., Kurmysheva A.Yu., Kharlanov A.N., Solís Pinargote N.W., Smirnov A., et al. The Role of the Activator Additives Introduction Method in the Cold Sintering Process of ZnO Ceramics: CSP/SPS Approach. Materials. 2021;14(21):6680. https://doi.org/10.3390/ma14216680

18. Nakajima T., Žemva B., Tressaud A. Advanced Inorganic Fluorides: Synthesis, Characterization and Applications. Elsevier; 2000. 701 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-72002-3.X5000-5

19. Smirnov A.V., et al. The Cold Sintering Process of High-Entropy Ceramics (MnFeCoNiCu)3O4. Int. J. Mech. Eng. 2021;6(3):1–6.

20. Gates-Rector S., Blanton T. The Powder Diffraction File: A Quality Materials Characterization Database. Powder Diffr. 2019;34(4):352–360. https://doi.org/10.1017/S0885715619000812

21. Wang D., Liu Z., Du S., Zhang Y., Li H., Xiao Z., et al. Low-temperature synthesis of small-sized highentropy oxides for water oxidation. J. Mater. Chem. A. 2019;7(42):24211–24216. https://doi.org/10.1039/C9TA08740K