Enhanced densification and mechanical properties of β-boron by in-situ formed boron-rich oxide

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作者
Haibo Zhang,Metin Örnek,Simanta Lahkar,Shuangxi Song,Xiaodong Wang,Richard A. Haber,Kolan Madhav Reddy
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier BV]
卷期号:99: 148-160 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2021.05.042
摘要

We report nearly full densification of polycrystalline rhombohedral beta (β)-boron without the addition of sintering aids via spark plasma sintering (SPS). The analytical aberration corrected transmission electron microscope observations have revealed in-situ growth of nanocrystalline boron-rich oxide precipitates that contain approximately 4 at.% of oxygen and beget the densification of β-boron. Further electron energy loss spectroscopy and diffraction analysis confirmed that the newly formed boron-rich oxide (nominally B96O4) structure with B-O σ-bonding belongs to space group R3¯m. Depth sensitive nanoindentation showed boron-rich oxide phase has a hardness of about 41 ± 2 GPa, which is 10% higher than that of β-boron matrix. The estimated hardness and fracture toughness of β-boron were approximately 31 GPa and 2.2 MPa m1/2, respectively, using Vickers microindentation, which falls in the range of those commercially used boron carbides. These results suggest that the enhanced densification and mechanical properties arise from the newly formed boron-rich oxide in β-boron during SPS experiments.
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