TU Darmstadt / ULB / tuprints

High-pressure synthesis, structure and properties of cubic zirconium(IV)- and hafnium(IV) nitrides

Dzivenko, Dmytro :
High-pressure synthesis, structure and properties of cubic zirconium(IV)- and hafnium(IV) nitrides.
Fachgebiet Disperse Feststoffe
[Ph.D. Thesis], (2009)

[img]
Preview
Dzivenko Dissertation - PDF
Dzivenko_thesis_020909_final.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (6Mb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: High-pressure synthesis, structure and properties of cubic zirconium(IV)- and hafnium(IV) nitrides
Language: English
Abstract:

This thesis is concerned with recently discovered high-pressure (HP) zirconium- and hafnium nitrides having cubic Th3P4-type structure, c-M3N4 (M=Zr or Hf). These compounds belong to a rapidly growing group of new hard HP nitrides exhibiting advanced properties. The research was focused on (i) synthesis of macroscopic amounts of c-M3N4, (ii) investigation of their solid state structure, composition and morphology and (iii) measurement of properties related to potential industrial applications of these compounds as hard wear-resistant materials. Nitrogen-rich starting materials for high-pressure high-temperature (HP/HT) synthesis of c-M3N4, namely nanocrystalline powders of M3N4+x with distorted NaCl-type structure, had to be prepared in this work because they were not commercially available. They were obtained via HT ammonolysis of the corresponding metal dialkylamides, M[N(C2H5)2]4, at moderate temperatures up to 873 K. Both, c-Zr3N4 and c-Hf3N4, were synthesized from the nanocrystalline M3N4+x powders applying a pressure of 12 GPa and a temperature of 1873 K using a multi-anvil HP-apparatus. The products were characterized using various techniques including powder XRD (Rietveld refinement), TEM, EPMA, SEM/EDX and Raman spectroscopy. In the case of zirconium nitride, formation of a single phase crystalline material was verified by both XRD and TEM. The presence of a small amount of oxygen in the sample, revealed by EPMA, suggested the formation of oxygen-bearing zirconium(IV) nitride (or oxynitride) having Th3P4-type structure, c-Zr2.86(N0.88O0.12)4. The measured composition was found to correspond to the general formula Zr3-u(N1-uOu)4 which fulfils the electrical neutrality condition. A high quality of the Rietveld structure refinement of the powder XRD data for c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 supported the above findings. Further, the assignment of the structure of the obtained oxygen-bearing zirconium nitride to the Th3P4-type was confirmed by Raman spectroscopic measurements. In contrast to zirconium nitride, a minor oxidation of the hafnium nitride sample led to formation of a mixture of oxygen-poor c-Hf3N4 and an oxidic material. The latter was evident from the XRD, EPMA, and SEM/EDX measurements. A detailed analysis of the powder XRD patterns and Rietveld refinement suggested that the oxidic material is comprised of a mixture of the known γ-Hf2N2O and oI-HfO2. The last part of the thesis concerned the investigation of the properties of the synthesized materials. The bulk moduli of c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 and c-Hf3N4 were determined via their quasi-hydrostatic compression in a diamond anvil cell up to 45 GPa. The obtained values are B0=219 GPa (B'0=4.4) and B0=227 GPa (B'0=5.3) for c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 and c-Hf3N4, respectively. The reduced elastic modulus, Er=224 GPa, of porous c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 (volume fraction porosity of 0.3) was measured using nanoindentation techniques. Combining B0 and Er values, the lower limits of the shear modulus G0=96 GPa, and of the Young’s modulus E0=252 GPa were determined for the oxygen-bearing c-Zr3N4. The nanoindentation hardness and Vickers microhardness, HV(1), of the porous zirconium nitride sample were measured to be 18 GPa and 12 GPa, respectively. Using a relation between hardness and volume fraction porosity, suggested in the literature, the HV(1) of the fully dense c-Zr3N4 was estimated to exceed 25 GPa. The indentation fracture toughness of 3.2 MPa m^1/2 for porous c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 was evaluated from the Vickers indentation cracks. The linear thermal expansion coefficient of the oxygen-bearing c-Zr3N4 was found to increase from 6.6×10^6 1/K at room temperature to about 14×10^6 1/K at 873 K. Onset of the material oxidation in air was observed at 773 K. Finally, the obtained results were compared with existing experimental and theoretical data for c-M3N4 and for other related technological materials and discussed with respect to potential industrial applications of c-M3N4.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wurden die kürzlich entdeckten kubischen Hochdrucknitride von Zirconium und Hafnium mit der Struktur vom Typ Th3P4, c-M3N4 (M=Zr or Hf), untersucht. Diese Materialien gehören zu der schnell wachsenden Gruppe harter Hochdrucknitride mit herausragenden Eigenschaften. Folgende Experimente wurden in der Arbeit durchgeführt: (i) Synthese makroskopischer Mengen von c-M3N4 bei hohen Drücken, (ii) Untersuchung der Kristallstruktur, der Zusammensetzung und der Morphologie der erhaltenen Produkte und (iii) Bestimmung ihrer Eigenschaften für mögliche Anwendungen als verschleißfeste Werkstoffe. In dieser Arbeit wurden stickstoffreiche, für die Hochdruck-Hochtemperatursynthese von c-M3N4 geeignete Ausgangsmaterialien hergestellt, da sie kommerziell nicht erhältlich sind. Hierbei handelte es sich konkret um Pulver von nanokristallinem M3N4+x mit verzerrter NaCl-Struktur. Sie wurden mittels Ammonolyse entsprechender Metalldialkylamiden, M[N(C2H5)2]4, bei moderaten Temperaturen bis 873 K hergestellt. Sowohl c-Zr3N4 als auch c-Hf3N4 wurden aus den nanokristallinen M3N4+x bei hohen Drücken von 12 GPa und Temperaturen von 1873 K in einer Hochdruck-Vielstempelapparatur synthetisiert. Die Produkte wurden mittels solcher experimentellen Techniken wie XRD (mit Rietveld-Strukturverfeinerung), TEM, ESMA, REM (mit EDX) und Raman-Spektroskopie untersucht. In Experimenten an Zirconiumnitrid wurde die Bildung eines einphasigen kristallinen Materials sowohl mittels XRD als auch TEM nachgewiesen. Bei ESMA-Untersuchungen wurden in dem Probenmaterial geringe Mengen an Sauerstoff festgestellt, was auf die Bildung von sauerstoffhaltigem Zirconiumnitrid (oder Zirconium-Oxinitrid) mit Struktur vom Typ Th3P4 und der Zusammensetzung c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 hindeutet. Die gemessene Zusammensetzung entspricht zudem der allgemeinen Formel Zr3-u(N1-uOu)4, welche die Elektroneutralitätsbedingung erfüllt. Ergebnisse der Rietveld-Strukturverfeinerung, die an einem Röntgen-Pulverdiffraktogramm von c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 durchgeführt wurde, bekräftigten den vorherigen Befund. Raman-spektroskopische Untersuchungen des hergestellten sauerstoffhaltigen Zirconiumnitrids bestätigten ebenfalls diesen Strukturtyp. Im Gegensatz zu Zirconiumnitrid führte eine geringe Verunreinigung des Probenmaterials mit Sauerstoff bei Hafniumnitrid zur Bildung eines Gemisches aus sauerstoffarmem c-Hf3N4 und oxidiertem Material. Dieses Ergebnis folgt aus den XRD-, ESMA-, REM- und EDX-Messungen. Eine detaillierte Analyse des Pulver-Diffraktogramms und die Rietveld-Strukturverfeinerung ergaben, dass das oxidierte Material eine Mischung aus den bereits bekannten Phasen γ-Hf2N2O und oI-HfO2 ist. Der abschließende Teil der Doktorarbeit befasst sich mit Eigenschaftsuntersuchungen der hergestellten Materialien. Die Kompressionsmodule von c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 und c-Hf3N4 wurden unter quasihydrostatischer Komprimierung in einer Diamantstempelzelle bis 45 GPa gemessen. Die Kompressionsmodule von c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 und c-Hf3N4 wurden zu B0=219 GPa (B'0=4.4) und B0=227 GPa (B'0=5.3) bestimmt. Der so genannte reduzierte elastische Modul Er von porösem c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 (Porositätsanteil 30 Vol %) wurde mittels der Nanoindentation-Methode mit 224 GPa gemessen. Durch Verwendung der B0- und Er-Werte konnte der untere Grenzwert für das Schubmodul von sauerstoffhaltigem c-Zr3N4 auf G0=96 GPa und der des Elastizitätsmodul auf E0=252 GPa bestimmt werden. Die Nanoindentationshärte von porösem Zirconiumnitrid beträgt 18 GPa, die Vickers-Mikrohärte beträgt HV(1)=12 GPa. Mit dem literaturbeschriebenen Zusammenhang zwischen Härte und Porosität wird erwartet, dass die Vickers-Mikrohärte von komplett verdichtetem c-Zr3N4 25 GPa übersteigt. Aus den bei den Vickers-Härtemessungen entstandenen Risslängen wurde die Bruchzähigkeit des porösen c-Zr2.86(N0.88O0.12)4 auf 3.2 MPa m^1/2 abgeschätzt. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des sauerstoffhaltigen c-Zr3N4 erwies sich als temperaturabhängig und nahm von 6.6×10^6 1/K bei Zimmertemperatur bis auf 14×10^6 1/K bei 873 K zu. Eine Oxidation des Materials an der Luft wurde erst bei 773 K beobachtet. Abschließend werden die in dieser Arbeit bestimmten Werte mit früheren experimentellen und theoretischen Ergebnissen für c-M3N4 als auch mit Werten von anderen technologisch wichtigen Materialien verglichen. Mögliche Anwendungen von c-M3N4 in der Industrie werden diskutiert.German
Uncontrolled Keywords: high pressure, zirconium nitride, hafnium nitride, Th3P4-type structure, elastic moduli, hardness, multi-anvil, diamond anvil cell
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
high pressure, zirconium nitride, hafnium nitride, Th3P4-type structure, elastic moduli, hardness, multi-anvil, diamond anvil cellEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 09 Sep 2009 11:26
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-18742
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Riedel, Prof. Dr. Ralf and Fueß, Prof. Dr.- Hartmut
Refereed: 17 December 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1874
Export:

Actions (login required)

View Item View Item