ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ОБРАБОТКОЙ, МИКРОСТРУКТУРОЙ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СПЕЧЕННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИТАХ Al–CaB6
Аннотация
В данном исследовании систематически изучаются корреляции между условиями обработки, микроструктурой и диэлектрическими свойствами композитов из гексаборида алюминия и кальция (Al–CaB6), полученных методом твердофазного спекания. Композиты с различным содержанием CaB6 (10–50 мас.%) были спечены, что привело к образованию мелкозернистой микроструктуры. Было подтверждено сохранение критически важных октаэдрических единиц B6 в CaB6, а также образование корунда и других оксидных фаз. Ключевым выводом является то, что увеличение содержания CaB6 значительно улучшает диэлектрические характеристики, о чем свидетельствует более высокая диэлектрическая постоянная и проводимость на переменном токе, а также снижение потерь энергии на высоких частотах. Это улучшение объясняется двумя микроструктурными факторами: (1) усилением межфазной поляризации на границах фаз и (2) образованием перколяционных сетей, облегчающих перенос заряда. Поведение при уплотнении в значительной степени определяется балансом между содержанием металлического Al и температурой спекания. Композиция 80 мас.% Al – 20 мас.% CaB6, спеченная при 1200 °C, обеспечивает наиболее благоприятную микроструктурную консолидацию с минимальной пористостью. Падение плотности при 1100 °C отмечает промежуточную стадию, на которой взаимодействие между диффузией и образованием жидкой фазы становится нестабильным, что приводит к снижению эффективности уплотнения. Электрический отклик демонстрирует распределенное релаксационное поведение, указывающее на сложную микроструктуру межфазной границы. Эти специально подобранные свойства делают композиты Al–CaB6 перспективными материалами для современных высокочастотных компонентов и конденсаторов следующего поколения.
Для цитирования:
Эман А. Мвафи, Гехан Т. Эль-Бассиуни, Сайед Х. Кенави, Эсмат М.А. Хамзави Взаимосвязь между обработкой, микроструктурой и диэлектрическими свойствами в твердотельных спеченных керамических композитах Al–CaB6. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2026. Т. 69. Вып. 8. С. 12-24. DOI: 10.6060/ivkkt.20266908.7185.
Литература
Ding J., Cui C., Sun Y., Ding J., Zhao L., Cui S. Microstructures and mechanical properties of in-situ CaB6 ceramic particles reinforced Al-Cu-Mn composite. Ceram. Int. 2019. V. 45. N 17. Pt. A. P. 21668-21675. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.07.165.
Liu J., Cui X., Liu H., Wang Y., Liu S., Wang J., Li X., Xu W., Wang Y., Li H., Cui H., Feng R., Pan Y. Preparation of CaB6-Reinforced Al/Al-Si Composites and Study of the Comprehensive Properties. Int. J. Metal. Casting. 2024. V. 19. P. 989–998. DOI: 10.1007/s40962-024-01361-1.
Kenawy S.H. Synthesis Aluminum Borate Ceramic. Proceed-ing of the 14th Applied Mechanics and Mechanical Engineering (AMME) Conference. 2010. 25-27. DOI: 10.21608/amme.2010.37703.
Karadimas G., Salonitis K. Ceramic Matrix Composites for Aero Engine Applications-A Review. Appl. Sci. 2023. V. 13. N 5. P. 3017. DOI: 10.3390/app13053017.
Smart L.E., Moore E.A. Solid State Chemistry: An Introduction. 2012. 138 p.
Cui X., Wu Y., Zhu X., Liu X. In-situ formation of Al-CaB6 composites with low resistivity. Rare Metals. 2012. V. 31. N 6. P. 578. DOI: 10.1007/s12598-012-0561-0.
Khan M.M. Chemical vapor deposition synthesis method. Chapter 8. In: Photocatalysts: Synthesis and Characterization Methods. 2025. Elsevier. P. 79-89. DOI: 10.1016/B978-0-443-28913-2.00009-5.
Costa L.M., Costa de Souza T.C., Gonçalves de Oliveira R.K.F., Almeida N.G.S., Houmard M. Effects of silicas and aluminosilicate synthesized by solgel process on the structural properties of metakaolin-based geopolymers. Appl. Clay Sci. 2025. V. 267. P. 107743. DOI: 10.1016/j.clay.2025.107743.
Cahill J.T., Graeve O.A. Hexaborides: a review of structure, synthesis and processing. J. Mater. Res. Technol. 2019. V. 8. N 6. P. 6321-6335. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.09.041.
Mair P., Goettgens V.S., Rainer T., Weinberger N., Letofsky-Papst I., Mitsche S., Leichtfried G. Laser powder bed fusion of nano-CaB6 decorated 2024 aluminum alloy. J. Alloys Compd. 2021. V. 863. P. 158714. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.158714.
Ouhassan Y., Bri S., El Boubakraoui M.C., Habibi M. Dielectric properties of ceramic composite materials based on alumina reinforced by titanium carbide. FME Transact. 2020. V. V. 8. N 4. P. 908-913. DOI: 10.5937/fme2004908O.
Lunn K.F., Apelian D. Thermal and Electrical Conductivity of Aluminum Alloys: Fundamentals, structure-property relationships, and pathways to enhance conductivity. Mater. Sci. Eng. A. 2024. V. 924(2972). P. 147766. DOI: 10.1016/j.msea.2024.147766.
Faouzia T., Teixeira S.S., Graca M.P.F., Iben Nassar K. A Comprehensive Review of Recent Advances in Perovskite Materials: Electrical, Dielectric, and Magnetic Properties. Inorganics. 2025. V. 13. N 3. P. 67. DOI: 10.3390/inorganics13030067.
El‑Bassyouni G.T., ElShebiney S., Korany R., Mabrouk M., Soliman A., Darwish H., Kenawy S., Hamzawy E.M.A. Engineered Calcium Silicate‑Hexaboride Biocompo-sites: A Versatile Platform for Personalized Orthopedic Therapies. Silicon. 2025. V. 17. P. 873–887. DOI: 10.1007/s12633-025-03229-3.
El-Bassyouni G.T., El-Rafei A.M., Azooz M.A., Kenawy S.H., Darwish H., Hamzawy E.M.A. Preparation, Characterization and biocompatibility of Nominal Wollastonite/Calcium Hexaboride composites. Mater. Chem. Phys. 2022. V. 289. P. 126337. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2022.126337.
Zhang J., Lei S., An X., Xu X., Chen B., Li H., Yao W., Wang Q., Kong Q. Effect of CaB6 addition on the micro-structure and mechanical properties of Ti-24Nb-4Zr-2.5Mn alloys fabricated by spark plasma sintering. J. Mater. Res. Technol. 2024. 30. P. 2264-2271. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.04.214.
Tsebulya G.G., Kozina G.K., Zakharchuk A.P., Kovalev A.V., Dudnik E.M. Investigation of infrared spectra and determination of the main optical constants of CaB6. Powder Metal.Metal Ceram. 1997. V. 36. N 7-8. P. 413-415. DOI: 10.1007/BF02676003.
Zhou J., Duszczyk J. Liquid phase sintering of an AA2014-based composite prepared from an elemental powder mixture. J. Mat. Sci. 1999. V. 34. P. 545 – 550. DOI: 10.1023/A:1004594628862.
Barry Carter C., Grant Norton M. Ceramics materials. Science and engineering. Springer science + Business Media, LLC. 2007. 727 p.
Bahaa Abdhadi Ahmed, Baidaa K. Al-Rubaye, Lekaa K. Abdul Karem, Ahmed M. Khalil, Sayed H. Kenawy. Facile synthesis and characterization of novel inorganic glass-ceramic composites for bone replacement applications. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2026. V. 69. N 4. P. 67-76. DOI: 10.6060/ivkkt.20266904.6810.
Li D., Zeng X., Li Z., Shen Z.-Y., Hao H., Luo W., Wang X., Song F., Wang Z., Lia Y. Progress and perspectives in dielectric energy storage ceramics. J. Adv. Ceram. 2021. V. 10. N 4. P. 675–703. DOI: 10.1007/s40145-021-0500-3.
Castillo-Robles J.A., Dimas-Muñoz A.P., Rodríguez-García J.A., Calles-Arriaga C.A., Armendáriz-Mireles E.N., Pech-Rodríguez W.J., Rocha-Range E. Mechanical and Microstructural Response of Aluminum Composites Reinforced with Ceramic Micro-Particles. J. Compos. Sci. 2021. V. 5. P. 228. DOI: 10.3390/jcs5090228.
Samet M., Kallel A., Serghei A. Maxwell-Wagner-Sillars interfacial polarization in dielectric spectra of composite materials: Scaling laws and applications. J. Compd. Mater. 2022. V. 56. N 20. P. 3197-3217. DOI: 10.1177/00219983221090629.
Hill R.M., Dissado L.A. Debye and non-Debye relaxation. J. Phys. C: Solid State Phys. 1985. V. 18. N 19. P. 3829. DOI: 10.1088/0022-3719/18/19/021.
Tian F., Ohki Y. Electric Modulus Powerful Tool for Analyzing Dielectric Behavior. IEEE Trans. Diel. Electr. Insul.. 2014. V. 21. N 3. P. 929-931. DOI: 10.1109/TDEI.2014.6832233.
Carter C.B., Norton M.G. Sintering and Grain Growth. In: Ceramic Materials. 2007. DOI: 10.1007/978-0-387-46271-4_24.
Heikal Sh., El-Bassyouni G.T., Hamzawy E.M.A. Characterization, Dielectric and AC Electrical Properties of B2O3-Al2O3-BaO-x-TiO2 (x = 0, 10, 15, and 20) Thermally Treated Glass. J. Non-Cryst. Solids. 2025. V. 666. P. 123687. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2025.123687.
Popov I.I., Nigmatullin R.R., Khamzin A.A., Lounev I.V. Conductivity in disordered structures: Verification of the generalized Jonscher's law on experimental data. J. Phys.: Conf. Ser. 2012. V. 394. P. 012026. DOI: 10.1088/1742-6596/394/1/012026.
Abd El-Shakour Z.A., El-Bassyouni G.T., Hamzawy E.M.A., Mahdy M.A., El Zawawi I.K., Sherif H.H.A., Turky G.M. Magnetic and Electrical Properties of Pseudowollastonite Nanoceramic Prepared by Wet Method. Sci. Rep. 2025. V. 15. P. 32540. DOI: 10.1038/s41598-025-18717-0.
Ponomarev S.G., Kornyushin M.V., Smirnov A.V., Rybalchenko V.V. Ceramic Composites of the Calcium Copper Titanate with Giant Dielectric Permittivity. Russ. J. Gen. Chem. 2024. V. 94. P. 1537–1539. DOI: 10.1134/S1070363224060331.
Hamzawy E.M.A., El-Bassyouni G.T., Azooz M., Turky G.M. Electrical Properties of Lithium Silicates Based Glasses and Their Glass-Ceramics. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2024. V. 35. N 3. P. 253. DOI: 10.1007/s10854-024-11981-2.
Gomaa M.M., Kenawy S.H. Electrical and Physical Properties of Ceramic Whiskers from the Al2O3–CaB6 System. Interceram. 2020. V. 69. P. 34–43. DOI: 10.1007/s42411-020-0423-y.
Shchegolkov A., Shchegolkov A., Komarov F.F., Par-fimovich I.D., Zemtsova N.V. Electro- and Thermophysical Properties of Organosilicon Elastomers Modified with Carbon Nanotubes and Microscale Metallic Structures. Russ. J. Gen. Chem. 2024. V. 94. N 6. P. 1574-1579. DOI: 10.1134/S1070363224060409.
