Specific Features of Boron Detection and Interpretation in High-Entropy Borides and B₄C-Based Composites: A Brief Review

Editorial Board PCSS Journal; Ярослав Зауличний; Василь Мосяк; Ліна Бірюкович; Олег Степанов; Юрій Богомол

doi:10.15330/pcss.27.2.456-461

Автор(и)

Ярослав Зауличний Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", м. Київ, Україна
Василь Мосяк Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", м. Київ, Україна
Ліна Бірюкович Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", м. Київ, Україна
Олег Степанов Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", м. Київ, Україна
Юрій Богомол Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", м. Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.456-461

Ключові слова:

високоентропійні бориди, карбід бору, EDS-картування, WDS-картування, розподіл бору, B Kα-випромінювання, поглинання рентгенівського випромінювання, високоентропійна кераміка, композити B₄C–(TiZrHfNbTa)B₂

Анотація

Інтерпретація розподілу бору у високоентропійних диборидних кераміках і композитах на основі B₄C залишається складним завданням через низьку енергію B Kα-випромінювання та його взаємодію з важкими металевими елементами. У цій роботі проаналізовано літературні дані щодо EDS- та WDS-картування елементів у високоентропійних боридах і композитах B₄C–(TiZrHfNbTa)B₂ з метою визначення чинників, які впливають на виявлення бору. Особливу увагу приділено впливу перехідних металів на інтенсивність сигналу бору. Показано, що видиме збіднення бором у кристалітах високоентропійних диборидів, яке спостерігається на елементних картах, не обов’язково свідчить про його реальну відсутність. Зменшення інтенсивності B Kα-сигналу пов’язане з процесами поглинання та розсіювання, що відбуваються в боридних кристалітах. Значний внесок у цей ефект можуть робити цирконійвмісні фази, для яких M₄,₅-край поглинання розташований близько до енергетичного діапазону характеристичного випромінювання бору. Отримані результати демонструють, що для достовірної інтерпретації розподілу бору в багатофазних боридних системах необхідно враховувати ефекти поглинання рентгенівського випромінювання. Ці чинники слід брати до уваги під час аналізу елементних карт високоентропійних боридів і B₄C-вмісних композитів.

Посилання

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

B. Cantor, I.T.H. Chang, P. Knight, A.J.B. Vincent, Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys,Mater. Sci. Eng. A 375–377, 213 (2004); https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257.

C.M. Rost, E. Sachet, T. Borman, A. Moballegh, E.C. Dickey, D. Hou, J.L. Jones, S. Curtarolo, J.P. Maria, Entropy-stabilized oxides, Nat. Commun. 6, 8485 (2015); https://doi.org/10.1038/ncomms9485.

J. Gild, Y. Zhang, T. Harrington, S. Jiang, T. Hu, M.C. Quinn, W.M. Mellor, N. Zhou, K. Vecchio, J. Luo, High-Entropy Metal Diborides: A New Class of High-Entropy Materials and a New Type of Ultrahigh Temperature Ceramics, Sci. Rep. 6, 37946 (2016); https://doi.org/10.1038/srep37946.

Y. Zhang, W.M. Guo, Z.B. Jiang, Q.Q. Zhu, S.K. Sun, Y. You, K. Plucknett, H.T. Lin, Dense high-entropy boride ceramics with ultra-high hardness, Scr. Mater. 164, 135 (2019); https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2019.01.021.

Y. Zhang, Z.B. Jiang, S.K. Sun, W.M. Guo, Q.S. Chen, J.X. Qiu, K. Plucknett, H.T. Lin, Microstructure and mechanical properties of high-entropy borides derived from boro/carbothermal reduction, J. Eur. Ceram. Soc. 39(13), 3920 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.05.017.

Y. Zhang, S.K. Sun, W. Zhang, Y. You, W.M. Guo, Z.W. Chen, J.H. Yuan, H.T. Lin, Improved densification and hardness of high-entropy diboride ceramics from fine powders synthesized via borothermal reduction process, Ceram. Int. 46(9), 14299 (2020); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.02.214.

G. Tallarita, R. Licheri, S. Garroni, R. Orrù, G. Cao, Scr. Novel processing route for the fabrication of bulk high-entropy metal diborides, Mater. 158, 100 (2019); https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.08.039.

G. Tallarita, R. Licheri, S. Garroni, S. Barbarossa, R. Orrù, G. Cao, High-entropy transition metal diborides by reactive and non-reactive spark plasma sintering: A comparative investigation, J. Eur. Ceram. Soc. 40(4), 942 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.10.031.

R. Guo, Z. Li, L. Li, Y. Liu, R. Zheng, C. Ma, Microstructures and oxidation mechanisms of (Zr0.2Hf0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2 high-entropy ceramic, J. Eur. Ceram. Soc. 42(5), 2127 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.12.036.

W. Yang, G. Xiao, Z. Ren, Spark plasma sintering synthesis of ReB2-type medium-entropy diboride (W1/3Re1/3Ru1/3)B2 with high hardness, Scr. Mater. 227, 115299 (2023); https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115299.

J.X. Liu, X.Q. Shen, Y. Wu, F. Li, G.J. Zhang, Mechanical properties of hot-pressed high-entropy diboride-based ceramics, J. Adv. Ceram. 9(4), 503 (2020); https://doi.org/10.1007/s40145-020-0383-8.

W. Li, Y. Liu, J. Li, Y. Cao, Ablation behavior of (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2-SiC-Si ceramics via reactive melt infiltration, Mater. Charact. 218, 114468 (2024); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114468.

H. Ying, Q.L. Guo, B.W. Yuan, H.Z. Fan, W. Yan, X. Zheng, J. Zhang, J.W. Wu, R.H. Liu, Preparation and properties of Ta foil toughened high entropy (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2-SiC layered structure composites, Mater. Today Commun. 42, 111466 (2025); https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.111466.

V. Kombamuthu, H. Ünsal, Z. Chlup, M. Tatarkova, A. Kovalcíkova, I. Zhukova, N. Hosseini, M. Hičák, I. Dlouhý, P. Tatarko, Effect of SiC on densification, microstructure and mechanical properties of high entropy diboride (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2, J. Eur. Ceram. Soc. 44(9), 5358 (2024); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.12.072.

Q.L. Guo, H. Ying, B.W. Yuan, H.Z. Fan, L. Hua, R.H. Liu, Preparation and properties of Ta fiber reinforced high-entropy (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2-SiC composite ceramics, J. Wang, Ceram. Int. 50(24), 56070 (2024); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.09.266.

Y. Yang, J.Q. Bi, K.N. Sun, Y.G. Chen, Toughened bulk high-entropy diborides with high hardness and enhanced oxidation resistance via SiC whiskers, Mater. Charact. 210, 113814 (2024); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.113814.

W. Hao, X.Z. Lu, L. Li, J.X. Liu, F. Li, G.J. Zhang, Toughened (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2–SiC composites fabricated by one-step reactive sintering with a unique SiB6 additive, J. Adv. Ceram. 13(1), 86 (2024); https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220838.

X.Q. Shen, J.X. Liu, F. Li, G.J. Zhang, Preparation and characterization of diboride-based high entropy (Ti0.2Zr0.2Hf0.2Nb0.2Ta0.2)B2–SiC particulate composites, Ceram. Int. 45(18), 24508 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.178.

Y.J. Shi, W.X. Li, X.R. Zhang, Z.X. Zhang, Preparation and toughening mechanism of Al2O3 composite ceramics toughened by B4C@TiB2 core–shell units, J. Adv. Ceram. 12(12), 2371 (2023); https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220826.

L.Y. Xiang, L.F. Cheng, L. Shi, X.Y. Yin, L.T. Zhang, J. Alloys Compd. 638, 261 (2015).

Z.L. Huo, X. Wu, C.F. Du, J. Yang, Ceram. Int. 50(21), 43927 (2024).

H. Ying, Q. Guo, Y. Wen, B. Yuan, J. Wu, J. Wang, Toughening and high-temperature self-lubricating of high-entropy boride ceramics through h-BN, J. Adv. Ceram. 14(8), 9221120 (2025); https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221120.

D. Wang, K. Xu, Q. Li, X. Ding, S. Ran, Microstructure and Mechanical Properties of In-Situ B4C-(TiZrHfNbTa) B2 Composite by Reactive Spark Plasma Sintering, JOM 74, 4129 (2022); https://doi.org/10.1007/s11837-022-05377-y.

J. Gu, J. Zou, S.K. Sun, H. Wang, S.Y. Yu, J. Zhang, W. Wang, Z. Fu, Dense and pure high-entropy metal diboride ceramics sintered from self-synthesized powders via boro/carbothermal reduction approach, Sci. China Mater. 62(12), 1898 (2019); https://doi.org/10.1007/s40843-019-9469-4.

S. Kavak, K.G. Bayrak, M. Mansoor, M. Kaba, E. Ayas, Ö. Balcı-Çağıran, B. Derin, M.L. Öveçoğlu, D. Ağaoğulları, First principles calculations and synthesis of multi-phase (HfTiWZr)B2 high entropy diboride ceramics: Microstructural, mechanical and thermal characterization, J. Eur. Ceram. Soc. 43(3), 768 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.10.047.

J.A. Bearden, X-Ray Wavelengths, Rev. Mod. Phys. 39(1), 78 (1967); https://doi.org/10.1103/RevModPhys.39.78.

M.A. Blokhin, I.G. Shveitser, X-ray Spectral Handbook (Nauka, Moscow, 1982).

Y. Piao, Q. Jiang, H. Li, J. Liang, H. Matsumoto, Y. Sato, J. Zhang, Y. Chen, Identify Zr Promotion Effects in Atomic Scale for Co-Based Catalysts in Fischer–Tropsch Synthesis, ACS Catal. 10(14), 7894 (2020); https://doi.org/10.1021/acscatal.0c01874.

I. Bogomol, E. Ferkhatly, S. Ponomarchuk, Y. Zaulychnyi, M. Karpets, I. Solodkyi, Ceramic eutectic composites based on B4C directionally reinforced by high-entropy (TiZrHfNbTa)B2 boride, J. Eur. Ceram. Soc. 44(1), 51 (2024); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.08.028.