KR20200071141A - 금속 붕화물 및 이의 용도 - Google Patents

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boron
tungsten
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크리스토퍼 엘 터너
리차드 비 카너
게오르게 아코포프
마이클 티 융
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더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

텅스텐 붕화물 및 혼합된 전이 금속 붕화물을 포함하는 화합물, 방법 및 공구가 본원에 개시된다.

Description

금속 붕화물 및 이의 용도
상호 참조
본 출원은 2017년 11월 8일자로 출원된 미국 가출원 제62/583,316호의 이익을 주장하며, 이 출원은 본원에 참조로 포함된다.
연방 후원 연구에 관한 진술
본 발명은 국립 과학 재단에 의해 수여된 허가 번호 0654431 및 1506860 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 특정 권리를 가진다.
발명의 배경
많은 제조 공정에서, 재료는 절단, 성형 또는 천공되어야 하며 표면은 내마모성 코팅으로 보호되어야 한다. 다이아몬드는 경도 >70 GPa와 같은 우수한 기계적 특성으로 인해 이러한 응용 분야에서 전통적으로 선택된 재료이다. 그러나, 다이아몬드는 본질적으로 희귀하고 고온 및 고압 조건의 조합이 필요하므로 인공적으로 합성하기가 어렵다. 따라서 다이아몬드의 산업적 적용은 일반적으로 비용에 의해 제한된다. 또한, 다이아몬드는 불량한 절단 성능을 유발하는 재료의 표면상의 흑연화 및 취성 탄화물의 형성으로 인해 철 합금의 고속 절단에 적합한 선택이 아니다. 금속 붕화물은 바람직한 특성 및 더 큰 합성 접근성으로 인해 다이아몬드에 대한 매력적인 대안일 수 있다.
발명의 요약
다음 단계를 포함하는 복합 매트릭스 제조 방법이 본원에 기재된다:
충분한 양의 W를 상당한 양의 B 및 임의로 M과 조합하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계, 여기서 B 대 W 및 M의 비율은 12 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이고;
복합 매트릭스는 다음을 포함한다:
W1-xMxB4
여기서:
W는 텅스텐이고;
B는 붕소이고;
M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0 내지 0.999이다.
열역학적으로 안정한 텅스텐 사붕화물 복합 매트릭스를 제조하는 방법이 본원에 개시되고, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 압축 챔버에 붕소 (B) 및 텅스텐 (W)의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐의 비율은 4 내지 11.9 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐인, 단계;
b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계;
c) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계;
d) 반응 용기에 진공을 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및
e) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 열역학적으로 안정한 WB4 복합 매트릭스를 생성하는 단계.
본원에 기재된 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스를 포함하는 공구가 본원에 개시된다.
참조에 의한 통합
본 명세서에 언급된 모든 간행물, 특허 및 특허 출원은 각각의 개별 간행물, 특허, 또는 특허 출원이 구체적이고 개별적으로 참조로 포함된 것으로 지시된 것과 동일한 정도로 본원에 참조로 포함된다.
본 발명의 다양한 양태는 청구된 청구범위에 구체적으로 제시된다. 본 발명의 특징 및 장점에 대한 더 나은 이해는 발명의 원리가 이용되는 예시적인 구체예, 및 다음의 첨부 도면을 설명하는 다음의 상세한 설명을 참조하여 달성될 것이다:
도 1은 X-선 회절 기술에 의해 결정된 WB4의 결정 구조를 나타낸다.
도 2는 가변적인 붕소 함량을 갖는 WBx의 X-선 분말 회절도를 나타낸다.
도 3은 W1-xTaxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다.
도 4는 W1-xNbxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다.
도 5는 W1-xVxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다.
도 6은 W1-xMoxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다.
도 7은 W1-xRexB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다.
도 8은 W1-xCrxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다.
도 9는 공기 중 열중량 분석에 의해 측정된 1:11.6 및 1:9.0의 W:B 비율로 제조된 WB4의 열 안정성을 나타낸다.
도 10은 1:11.6 내지 1:4.5의 W 대 B 비율로 제조된 WBx의 선택된 샘플의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 11은 W 대 B 비율 1:4.5로 제조된 WBx의 선택된 샘플의 SEM 이미지 및 원소 맵을 나타낸다.
도 12는 W0.668Ta0.332B4 합금의 SEM 이미지 및 원소 맵을 나타낸다.
발명의 상세한 설명
텅스텐 사붕화물은 절단 또는 마모에 사용되는 공구를 위한 초경질 코팅으로서 유용하다. 일부예에서, 텅스텐 사붕화물은 텅스텐 및 붕소로써 1 당량의 텅스텐 대 12 당량의 붕소의 비율로 제조된다. 그러한 경우에, 높은 비율의 붕소 대 텅스텐은 텅스텐 사붕화물 복합물로부터 분리될 수 없는 텅스텐 일붕화물 및 텅스텐 이붕화물과 같은 금속 부산물의 형성을 제거한다. 금속 부산물의 존재는 복합물의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미친다. 또한, 과량의 붕소는 산업 환경에서 해롭고 비쌀 수 있다.
다음 단계를 포함하는 복합 매트릭스 제조 방법이 본원에 기재된다:
충분한 양의 W를 상당한 양의 B 및 임의로 M과 조합하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계로서, 여기서 B 대 W 및 M의 비율은 12 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이고;
복합 매트릭스는 다음을 포함한다:
W1-xMxB4
여기서:
W는 텅스텐이고;
B는 붕소이고;
M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0 내지 0.999이다.
일부 구체예에서, 조합은 i) W, B, 및 임의로 M을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, ii) 혼합물을 반응 용기로 옮기는 단계, 및 iii) W, B, 및 임의로 M 사이의 반응을 유도하기에 충분한 온도로 혼합물을 가열하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계를 포함한다.
일부 구체예에서, 반응은 고상 반응이다. 일부 구체예에서, 적어도 하나의 반응 성분이 부분적으로 용융된다. 일부 구체예에서, 적어도 하나의 반응 성분이 완전히 용융된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 혼합물을 반응 용기로 옮긴 후 혼합물을 가열하기 전에 불활성 분위기 하에서 추가로 처리된다. 일부 구체예에서, 산소가 반응 용기로부터 제거되어 불활성 분위기를 생성한다.
일부 구체예에서, 진공이 반응 용기에 적용되어 불활성 분위기를 생성한다. 일부 구체예에서, 진공은 반응 용기로부터 적어도 99%의 산소를 제거하기에 충분한 시간 동안 적용된다. 일부 구체예에서, 진공은 적어도 10 분, 20 분, 30 분 이상 동안 적용된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 불활성 기체로 퍼지되어 불활성 분위기를 생성한다. 일부 구체예에서, 불활성 기체는 아르곤, 질소 또는 헬륨을 포함한다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 반응 용기로부터 산소를 제거하기 위한 진공 적용 및 불활성 기체를 사용한 반응 용기 플러싱의 적어도 하나의 사이클을 거친다.
일부 구체예에서, 혼합물은 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열된다. 일부 구체예에서, 혼합물은 약 1400℃, 1500℃, 1600℃, 1700℃, 1800℃, 2000℃, 2100℃, 또는 약 2200℃의 온도로 가열된다. 일부 구체예에서, 혼합물은 약 15 분, 90 분, 120 분, 180 분, 240 분, 360 분 이상 동안 가열된다. 일부 구체예에서, 혼합물은 전기 아크로에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 전기 아크로의 반응 용기는 혼합물을 반응 용기로 옮긴 후 혼합물을 가열하기 전에 불활성 분위기를 거친다. 일부 구체예에서, 불활성 분위기는 진공을 반응 용기에 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나 또는 이들의 조합에 의해 발생된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 임의로 전기 절연 재료로 코팅된다. 일부 구체예에서, 반응 용기의 표면의 최대 약 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 이하가 전기 절연 재료로 임의로 코팅된다. 일부 구체예에서, 절연 재료는 육방정계 질화 붕소(h-BN)를 포함한다. 일부 구체예에서, 혼합물은 액체 용액이 형성될 때까지 가열된다.
일부 구체예에서, 혼합물은 유도로에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 유도로는 전자기 유도에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 전자기 유도에 사용되는 전자기 복사는 라디오파의 주파수 및 파장을 갖는다. 일부 구체예에서, 혼합물은 열간 프레싱에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 혼합물은 플라스마 스파크 소결에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 혼합물을 반응 용기로 옮긴 후 혼합물을 가열하기 전에 불활성 분위기를 거친다. 일부 구체예에서, 불활성 분위기는 진공을 반응 용기에 적용하거나 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하는 것과 조합으로 반응 용기로부터 산소를 제거하여 발생된다. 일부 구체예에서, 불활성 기체는 고순도 아르곤이다.
일부 구체예에서, M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 내지 0.999이다. 일부 구체예에서, x는 0.201-0.400이다. 일부 구체예에서, x는 0.401-0.600이다. 일부 구체예에서, x는 0.601-0.800이다. 일부 구체예에서, x는 0.801-0.999이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 5 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4를 포함한다.
일부 구체예에서, x는 0이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 11.9 내지 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 11.6, 약 11, 약 10.5, 약 10, 약 9.5, 또는 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 WB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 1:11.6의 W 대 B 비율로 형성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 450℃ 미만에서 산화 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 1:10.5의 W 대 B 비율로 형성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 1:9.0의 W 대 B 비율로 형성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 465℃ 미만에서 산화 내성이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 4.0 g/cm3 이상의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, 상기 방법은 금속 부산물을 추가로 생성한다. 일부 구체예에서, 금속 부산물은 텅스텐 이붕화물 또는 텅스텐 일붕화물이다. 일부 구체예에서, 금속 부산물은 복합 매트릭스의 백분율에 대해 10%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.05%, 또는 0.01% 미만이다.
열역학적으로 안정한 텅스텐 사붕화물 복합 매트릭스를 제조하는 방법이 본원에 개시되고, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 압축 챔버에 붕소 (B) 및 텅스텐 (W)의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐의 비율은 4 내지 11.9 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐인, 단계;
b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계;
c) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계;
d) 반응 용기에 진공을 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및
e) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 열역학적으로 안정한 WB4 복합 매트릭스를 생성하는 단계.
일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 전기 아크로에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 아크로 전극은 흑연 또는 텅스텐 금속을 포함한다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 임의로 전기 절연 재료로 코팅된다. 일부 구체예에서, 반응 용기의 표면의 최대 약 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 이하가 전기 절연 재료로 임의로 코팅된다. 일부 구체예에서, 절연 재료는 육방정계 질화 붕소(h-BN)를 포함한다. 일부 구체예에서, 절연 물질은 탄소를 함유하지 않는다. 일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 아크로 전극으로부터 차폐된다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 1000 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 100 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 50 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 10 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 1 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다.
일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 유도로에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 유도로는 전자기 유도에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 전자기 유도에 사용되는 전자기 복사는 라디오파의 주파수를 갖는다. 일부 구체예에서, 혼합물은 열간 프레싱에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 혼합물은 플라스마 스파크 소결에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 수냉된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 흑연 라이닝된다. 일부 구체예에서, 흑연은 반응 용기 내에서 가열된다. 일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 흑연 라이닝된 반응 용기로부터 차폐된다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 500 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 200 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 50 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스의 밀도는 약 5.0 g/cm3 내지 약 7.0 g/cm3이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스의 밀도는 약 5.1 g/cm3 내지 약 6.2 g/cm3이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 1:11.6의 W 대 B 비율로 형성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 450℃ 미만에서 산화 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 1:10.5의 W 대 B 비율로 형성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 1:9.0의 W 대 B 비율로 형성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 465℃ 미만에서 산화 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 4.0 g/cm3 이상의 밀도를 갖는다.
화학식 (II)의 복합물 매트릭스 제조 방법이 본원에 개시된다:
W1-xMxB4 (II)
여기서:
W는 텅스텐이고;
B는 붕소이고;
M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0.001 내지 0.999이고;
여기서 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 압축 챔버에 붕소, 텅스텐, 및 M의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐 및 M의 비율은 3.5 내지 5.0 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐 및 M인, 단계;
b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계;
c) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계;
d) 반응 용기에 진공을 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및
e) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 화학식 (II)의 복합 매트릭스를 생성하는 단계.
일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 전기 아크로에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 아크로 전극은 흑연 또는 텅스텐 금속으로 만들어진다. 일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 아크로 전극으로부터 부분적으로 차폐된다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 100 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 50 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 10 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 1 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다.
일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 유도로에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 유도로는 전자기 유도에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 전자기 유도에 사용되는 전자기 복사는 라디오파의 주파수를 갖는다. 일부 구체예에서, 혼합물은 열간 프레싱에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 혼합물은 플라스마 스파크 소결에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 수냉된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 흑연 라이닝된다. 일부 구체예에서, 무선주파수 유도는 탄소로 조정되고, 흑연은 반응 용기 내에서 가열된다. 일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 흑연 라이닝된 반응 용기로부터 차폐된다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 100 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 50 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 10 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다.
일부 구체예에서, x는 0.001-0.200이다. 일부 구체예에서, x는 0.201-0.400이다. 일부 구체예에서, x는 0.401-0.600이다. 일부 구체예에서, x는 0.601-0.800이다. 일부 구체예에서, x는 0.801-0.999이다.
일부 구체예에서, M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4를 포함한다.
화학식 (III)의 복합 매트릭스를 포함하는 복합 재료 제조 방법이 본원에 개시된다:
W1-xMxB4 (III)
여기서 복합 재료에 대한 화학식 (III)의 복합 매트릭스 및 붕소의 백분율은 적어도 95%이고, 여기서,
W는 텅스텐이고;
B는 붕소이고;
M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0 내지 0.999이고;
여기서 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 압축 챔버에 붕소, 텅스텐, 및 임의로 M의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐 및 임의로 M의 비율은 12.0 당량 미만의 붕소 대 1 당량의 텅스텐 및 임의로 M인, 단계;
b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계;
c) 반응 용기의 내부를 전기 절연체로 부분적으로 라이닝하여 절연된 반응 용기를 생성하는 단계;
d) 압축된 원료 혼합물을 절연된 반응 용기에 첨가하는 단계;
e) 절연된 반응 용기에 진공을 적용하거나, 절연된 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계;
f) 압축된 원료 혼합물의 적어도 95% 이상이 용융될 때까지 압축된 원료 혼합물을 아크 용융시키는 단계; 및
g) 절연된 반응 용기를 냉각시켜, 화학식 (III)의 복합 매트릭스를 포함하는 복합 재료를 생성하는 단계.
일부 구체예에서, 복합 재료는 금속 부산물을 추가로 포함하고, 여기서 임의로 상기 금속 부산물은 복합 매트릭스의 백분율에 대해 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.05% 또는 0.01% 미만이다. 일부 구체예에서, 금속 부산물은 텅스텐 이붕화물 또는 텅스텐 일붕화물이다. 일부 구체예에서, 반응 용기의 표면의 최대 약 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 이하가 전기 절연 재료로 코팅된다. 일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 아크로 전극으로부터 부분적으로 차폐된다. 일부 구체예에서, 절연 재료는 육방정계 질화 붕소(h-BN)를 포함한다.
일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 전기 아크로 또는 플라스마 아크로에 의해 용융된다. 일부 구체예에서, 아크로 전극은 흑연 또는 텅스텐 금속으로 만들어진다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 수냉된다. 일부 구체예에서, 반응 용기의 냉각 속도가 제어된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 주위 온도로 냉각된다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 100 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 123-133 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 10 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 1 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다.
일부 구체예에서, 반응 용기는 불활성 기체로 퍼지되어 불활성 분위기를 생성한다. 일부 구체예에서, 불활성 기체는 아르곤, 질소 또는 헬륨을 포함한다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 반응 용기로부터 산소를 제거하기 위한 진공 적용 및 불활성 기체를 사용한 반응 용기 플러싱의 적어도 하나의 사이클을 거친다.
일부 구체예에서, x는 0이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 WB4를 포함한다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 11.9 내지 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 11.6, 약 11, 약 10.5, 약 10, 약 9.5, 또는 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 1:11.6의 W 대 B 비율로 형성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 450℃ 미만에서 산화 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 1:10.5의 W 대 B 비율로 형성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 1:9.0의 W 대 B 비율로 형성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 465℃ 미만에서 산화 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 4.0 g/cm3 이상의 밀도를 갖는다.
일부 구체예에서, x는 0.001 내지 0.999이다. 일부 구체예에서, x는 0.201-0.400이다. 일부 구체예에서, x는 0.401-0.600이다. 일부 구체예에서, x는 0.601-0.800이다. 일부 구체예에서, x는 0.801-0.999이다.
일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 5 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4를 포함한다.
화학식 (I)의 화합물을 포함하는 복합 매트릭스가 본원에 개시된다:
W1-xMxB4 (I)
여기서:
W는 텅스텐이고;
B는 붕소이고;
M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0.001 내지 0.999이다.
일부 구체예에서, x는 0.001-0.200이다. 일부 구체예에서, x는 0.201-0.400이다. 일부 구체예에서, x는 0.401-0.600이다. 일부 구체예에서, x는 0.601-0.800이다. 일부 구체예에서, x는 0.801-0.999이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4이다.
본원에 기재된 임의의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스가 본원에 개시된다.
본원에 기재된 임의의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스를 포함하는 공구가 본원에 개시된다.
다음 단계를 포함하는 복합 매트릭스 제조 방법이 본원에 기재된다: 상당한 양의 W를 상당한 양의 B 및 임의로 M과 조합하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계, 여기서 B 대 W 및 M의 비율은 12 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이고; 복합 매트릭스는 다음을 포함함: W1-xMxB4 여기서: W는 텅스텐이고; B는 붕소이고; M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고; x은 0 내지 0.999이다. 일부 구체예에서, 상기 방법은 i) W, B, 및 임의로 M을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, ii) 혼합물을 반응 용기로 옮기는 단계, 및 iii) W, B, 및 임의로 M 사이의 반응을 유도하기에 충분한 온도로 혼합물을 가열하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 구체예에서, 대기 산소의 적어도 10%가 반응 용기로부터 제거된다. 일부 구체예에서, 혼합물은 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열된다. 일부 구체예에서, 혼합물은 약 15 분, 90 분, 120 분, 180 분, 240 분, 360 분 이상 동안 가열된다. 일부 구체예에서, 혼합물은 유도로 또는 통상적인 노에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이다. 일부 구체예에서, x는 0이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 11.9 내지 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 내지 0.999이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 5 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, 반응 용기 및 반응 혼합물은 금속 라이너에 의해 분리된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 24.2의 2 세타에서 적어도 하나의 X-선 회절 패턴 반사를 특징으로 하는 결정질 고체이다. 일부 구체예에서, 결정질 고체는 약 34.5 또는 약 45.1의 2 세타에서 적어도 하나의 X-선 회절 패턴 반사를 추가로 특징으로 한다. 열역학적으로 안정한 텅스텐 사붕화물 복합 매트릭스를 제조하는 방법이 본원에 개시되고, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다: a) 압축 챔버에 붕소 (B) 및 텅스텐 (W)의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐의 비율은 4 내지 11.9 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐인, 단계; b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계; c) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계; d) 반응 용기에 진공을 가하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및 e) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 열역학적으로 안정한 WB4 복합 매트릭스를 생성하는 단계. 일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 유도로 또는 통상적인 노에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 반응 용기 및 반응 혼합물은 금속 라이너에 의해 분리된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 24.2의 2 세타에서 적어도 하나의 X-선 회절 패턴 반사를 특징으로 하는 결정질 고체이다. 일부 구체예에서, 결정질 고체는 약 34.5 또는 약 45.1의 2 세타에서 적어도 하나의 X-선 회절 패턴 반사를 추가로 특징으로 한다. 본원에 기재된 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스를 포함하는 공구가 본원에 개시된다.
특정 구체예에서, 감소되거나 검출 불가능한 양의 금속 부산물(또는 부생성물)(예를 들어, 복합물의 20%, 15%, 10%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5% 이하가 금속 부산물임)과 함께 텅스텐 사붕화물을 포함하는 복합 매트릭스 제조 방법이 본원에 기재된다. 일부 구체예에서, 12 당량 미만의 붕소 대 1 당량의 텅스텐의 비율을 갖는 텅스텐 사붕화물을 포함하는 복합 매트릭스 제조 방법이 본원에 또한 기재된다. 5 당량 미만의 붕소 대 1 당량의 텅스텐 및 금속을 이용하는 텅스텐 사붕화물 합금이 본원에 추가로 개시된다. 일부 구체예에서, 텅스텐 사붕화물 복합물 또는 텅스텐 사붕화물 합금이 공구 또는 연마재에 적용된다.
금속 붕화물 복합 매트릭스
화학식 (I)의 화합물을 포함하는 복합 매트릭스가 본원에 개시된다:
W1-xMxB4 (I)
여기서:
W는 텅스텐이고;
B는 붕소이고;
M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0.001 내지 0.999이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 대 4 내지 약 1 대 5의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.0의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.1의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.2의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.3의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.4의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.5의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.6의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.7의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.8의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 4.9의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMxB4이고 약 1 내지 5.0의 모든 금속 원자 대 붕소 원자의 비율로 제조된다.
본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스의 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.999의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.005 내지 0.99, 0.01 내지 0.95, 0.05 내지 0.9, 0.1 내지 0.9, 0.001 내지 0.6, 0.005 내지 0.6, 0.01 내지 0.6, 0.05 내지 0.6, 0.1 내지 0.6, 0.2 내지 0.6, 0.3 내지 0.6, 0.4 내지 0.6, 0.001 내지 0.55, 0.005 내지 0.55, 0.01 내지 0.55, 0.05 내지 0.55, 0.1 내지 0.55, 0.2 내지 0.55, 0.3 내지 0.55, 0.4 내지 0.55, 0.45 내지 0.55, 0.001 내지 0.5, 0.005 내지 0.5, 0.01 내지 0.5, 0.05 내지 0.5, 0.1 내지 0.5, 0.2 내지 0.5, 0.3 내지 0.5, 0.4 내지 0.5, 0.5 내지 0.55, 0.45 내지 0.5, 0.001 내지 0.4, 0.005 내지 0.4, 0.01 내지 0.4, 0.05 내지 0.4, 0.1 내지 0.4, 0.2 내지 0.4, 0.001 내지 0.3, 0.005 내지 0.3, 0.01 내지 0.3, 0.05 내지 0.3, 0.1 내지 0.3, 0.001 내지 0.2, 0.005 내지 0.2, 0.01 내지 0.2, 0.05 내지 0.2, 또는 0.1 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.9의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.6, 0.005 내지 0.6, 0.001 내지 0.4, 또는 0.001 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.3의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.3의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.8의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.7의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.3의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.8의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.7의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.3의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.8의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.7의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.4 내지 0.8의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.4 내지 0.7의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.4 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.4 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다.
본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스의 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.999 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.9 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.6 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.5 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.4 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.3 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.2 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.05 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.01 이상 0.5 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.01 이상 0.4 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.01 이상 0.3 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.01 이상 0.2 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.1 이상 0.5 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.1 이상 0.4 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.1 이상 0.3 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.1 이상 0.2 미만이다.
본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스의 일부 구체예에서, x는 약 0.001, 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, 0.47, 0.48, 0.49, 0.5, 0.51, 0.52, 0.53, 0.54, 0.55, 0.56, 0.57, 0.58, 0.59, 0.6, 0.65, 0.7, 0.8, 0.9, 0.95, 0.99, 또는 약 0.999의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.001의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.005의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.01의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.05의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.1의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.15의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.2의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.3의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.4의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.41의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.42의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.43의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.44의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.45의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.46의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.47의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.48의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.49의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.5의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.51의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.52의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.53의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.54의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.55의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.56의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.57의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.58의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.59의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.6의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.7의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.8의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.9의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.99의 값을 갖는다.
본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스의 일부 구체예에서, x는 0.001-0.200이다. 일부 구체예에서, x는 0.201-0.400이다. 일부 구체예에서, x는 0.401-0.600이다. 일부 구체예에서, x는 0.601-0.800이다. 일부 구체예에서, x는 0.801-0.999이다.
본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스의 일부 구체예에서, x는 약 0.05이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.25이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.50이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.75이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.80이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.85이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.90이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.95이다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스는 복합 매트릭스의 백분율에 대해 20%, 15%, 12%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.05%, 또는 0.01% 미만의 금속 부산물로 구성된다. 일부 구체예에서, 금속 부산물은 텅스텐 이붕화물(WB2) 또는 텅스텐 일붕화물(WB)이다. 일부 구체예에서, 금속 부산물은 비-텅스텐 금속 붕화물이다. 일부 구체예에서, 비-텅스텐 금속 붕화물은 TiB2, ZrB2, HfB2, VB, VB2, NbB2, NbB2, CrB, CrB2, Cr2B, Cr3B4, Cr4B, Cr5B3, MoB, MoB2, Mo2B4, Mo2B5, MnB, MnB2, MnB4, Mn2B, Mn4B, Mn3B4, ReB2, Re3B, Re7B2, FeB, Fe2B, RuB2, Ru2B3, OsB, Os2B3, OsB2, CoB, Co2B, IrB, Ir2B, NiB, Ni2B, Ni3B, CuB, 또는 ZnB이다.
일부 구체예에서, 원소 붕소의 적어도 하나의 동소체가 복합 매트릭스에 존재한다. 붕소의 동소체는 다음의 붕소 상태를 포함한다: 알파 능방정계, 알파 정방정계, 베타 능방정계, 베타 정방정계, 사방정계 (감마), 보로펜(borophen), 보로스페렌(borospherene) 및 무정형 붕소.
일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스는 화학식 (I-IV)의 화합물, 붕소, 및 금속 부산물을 포함한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 80% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 85% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 88% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 90% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 91% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 92% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 93% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 94% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 95% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 96% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 97% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 98% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 99% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 99.5% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 99.9% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 99.95% 이상을 차지한다. 일부 구체예에서, 화학식 (I-IV)의 화합물 및 붕소는 복합 매트릭스의 중량의 99.99% 이상을 차지한다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스에서, 복합 재료에 대한 화학식 (I)의 복합 매트릭스 및 붕소의 백분율은 적어도 80%, 85%, 88%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.95%, 또는 99.99%이다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스에서, 복합 재료에 대한 화학식 (II)의 복합 매트릭스 및 붕소의 백분율은 적어도 80%, 85%, 88%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.95%, 또는 99.99%이다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스에서, 복합 재료에 대한 화학식 (III)의 복합 매트릭스 및 붕소의 백분율은 적어도 80%, 85%, 88%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.95%, 또는 99.99%이다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스에서, 복합 재료에 대한 화학식 (IV)의 복합 매트릭스 및 붕소의 백분율은 적어도 80%, 85%, 88%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.95%, 또는 99.99%이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.95V0.05B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.90V0.10B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.85V0.15B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.80V0.20B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.75V0.25B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.70V0.30B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.65V0.35B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.60V0.40B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.55V0.45B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.50V0.50B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.45V0.55B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.40V0.60B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.35V0.65B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.30V0.70B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.25V0.75B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.20V0.80B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.15V0.85B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.10V0.90B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.05V0.95B4이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.95Cr0.05B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.90Cr0.10B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.85Cr0.15B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.80Cr0.20B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.75Cr0.25B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.70Cr0.30B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.65Cr0.35B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.60Cr0.40B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.55Cr0.45B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.50Cr0.50B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.45Cr0.55B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.40Cr0.60B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.35Cr0.65B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.30Cr0.70B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.25Cr0.75B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.20Cr0.80B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.15Cr0.85B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.10Cr0.90B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.05Cr0.95B4이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.95Nb0.05B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.90Nb0.10B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.85Nb0.15B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.80Nb0.20B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.75Nb0.25B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.70Nb0.30B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.65Nb0.35B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.60Nb0.40B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.55Nb0.45B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.50Nb0.50B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.45Nb0.55B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.40Nb0.60B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.35Nb0.65B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.30Nb0.70B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.25Nb0.75B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.20Nb0.80B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.15Nb0.85B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.10Nb0.90B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.05Nb0.95B4이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.95Mo0.05B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.90Mo0.10B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.85Mo0.15B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.80Mo0.20B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.75Mo0.25B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.70Mo0.30B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.65Mo0.35B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.60Mo0.40B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.55Mo0.45B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.50Mo0.50B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.45Mo0.55B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.40Mo0.60B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.35Mo0.65B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.30Mo0.70B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.25Mo0.75B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.20Mo0.80B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.15Mo0.85B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.10Mo0.90B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.05Mo0.95B4이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.95Ta0.05B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.90Ta0.10B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.85Ta0.15B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.80Ta0.20B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.75Ta0.25B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.70Ta0.30B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.65Ta0.35B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.60Ta0.40B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.55Ta0.45B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.50Ta0.50B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.45Ta0.55B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.40Ta0.60B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.35Ta0.65B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.30Ta0.70B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.25Ta0.75B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.20Ta0.80B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.15Ta0.85B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.10Ta0.90B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.05Ta0.95B4이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.95Re0.05B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.90Re0.10B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.85Re0.15B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.80Re0.20B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.75Re0.25B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.70Re0.30B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.65Re0.35B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.60Re0.40B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.55Re0.45B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.50Re0.50B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.45Re0.55B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.40Re0.60B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.35Re0.65B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.30Re0.70B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.25Re0.75B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.20Re0.80B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.15Re0.85B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.10Re0.90B4이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W0.05Re0.95B4이다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된 경도는 비커스 경도 시험에 의해 측정된다. 일부 구체예에서, 경도는 0.49 뉴턴(N)의 하중 하에서 측정된다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스는 약 10 내지 약 70 GPa의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 10 내지 약 60 GPa, 약 10 내지 약 50 GPa, 약 10 내지 약 40 GPa, 약 10 내지 약 30 GPa, 약 20 내지 약 70 GPa, 약 20 내지 약 60 GPa, 약 20 내지 약 50 GPa, 약 20 내지 약 40 GPa, 약 20 내지 약 30 GPa, 약 30 내지 약 70 GPa, 약 30 내지 약 60 GPa, 약 30 내지 약 50 GPa, 약 30 내지 약 45 GPa, 약 30 내지 약 40 GPa, 약 30 내지 약 35 GPa, 약 35 내지 약 70 GPa, 약 35 내지 약 60 GPa, 약 35 내지 약 50 GPa, 약 35 내지 약 40 GPa, 약 40 내지 약 70 GPa, 약 40 내지 약 60 GPa, 약 40 내지 약 50 GPa, 약 45 내지 약 60 GPa 또는 약 45 내지 약 50 GPa의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 30 내지 약 50 GPa, 약 30 내지 약 45 GPa, 약 30 내지 약 40 GPa, 약 30 내지 약 35 GPa, 약 35 내지 약 50 GPa, 약 35 내지 약 40 GPa, 약 40 내지 약 50 GPa, 또는 약 45 내지 약 50 GPa의 경도를 갖는다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스는 약 10 GPa, 약 15 GPa, 약 20 GPa, 약 25 GPa, 약 30 GPa, 약 31 GPa, 약 32 GPa, 약 33 GPa, 약 34 GPa, 약 35 GPa, 약 36 GPa, 약 37 GPa, 약 38 GPa, 약 39 GPa, 약 40 GPa, 약 41 GPa, 약 42 GPa, 약 43 GPa, 약 44 GPa, 약 45 GPa, 약 46 GPa, 약 47 GPa, 약 48 GPa, 약 49 GPa, 약 50 GPa, 약 51 GPa, 약 52 GPa, 약 53 GPa, 약 54 GPa, 약 55 GPa, 약 56 GPa, 약 57 GPa, 약 58 GPa, 약 59 GPa, 약 60 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 10 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 15 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 20 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 25 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 30 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 31 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 32 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 33 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 34 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 35 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 36 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 37 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 38 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 39 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 40 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 41 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 42 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 43 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 44 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 45 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 46 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 47 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 48 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 49 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 50 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 51 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 52 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 53 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 54 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 55 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 56 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 57 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 58 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 59 GPa 이상의 경도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 약 60 GPa 이상의 경도를 갖는다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스는 약 20μm 이하의 입자 크기 또는 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 15μm 이하, 약 12μm 이하, 약 10μm 이하, 약 8μm 이하, 약 5μm 이하, 약 2μm 이하 또는 약 1μm 이하의 입자 크기 또는 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 15μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 12μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 10μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 9μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 8μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 7μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 6μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 5μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 4μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 3μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 2μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 1μm 이하의 입자 크기 결정립 크기를 갖는다.
일부 구체예에서, 입자 크기는 평균 입자 크기이다. 일부 구체예에서, 결정립 크기는 평균 결정립 크기이다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스는 약 100μm 이하, 50μm 이하, 40μm 이하, 30μm 이하, 20μm 이하, 10μm 이하, 8μm 이하, 6μm 이하, 5μm 이하, 4μm 이하, 3μm 이하, 2μm 이하, 1μm 이하의 평균 입자 크기 또는 평균 결정립 크기를 갖는다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스는 치밀화(densified) 복합 매트릭스이다. 일부 구체예에서, 밀도는 12.0 g/cm3 이하이다. 일부 구체예에서, 밀도는 9.0 g/cm3 이하이다. 일부 구체예에서, 밀도는 8.0 g/cm3 이하이다. 일부 구체예에서, 밀도는 7.0 g/cm3 이하이다. 일부 구체예에서, 밀도는 6.0 g/cm3 이하이다. 일부 구체예에서, 밀도는 5.0 g/cm3 이하이다. 일부 구체예에서, 밀도는 4.0 g/cm3 이하이다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 4.0-9.0 g/cm3의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 4.0-7.0 g/cm3의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 4.0-6.0 g/cm3의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 5.0-6.0 g/cm3의 밀도를 갖는다.
일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 10.0 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 9.0 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 8.5 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 8.0 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 7.5 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 7.0 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 6.5 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 6.0 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 5.5 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 5.0 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다. 일부 구체예에서, WB4를 포함하는 복합 매트릭스는 4.5 g/cm3 이하의 밀도를 갖는다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된, 또는 본원의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스는 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 400℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 410℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 420℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 440℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 450℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 460℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 465℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 475℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 490℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 500℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 550℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 600℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 650℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 700℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 800℃ 미만에서 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 900℃ 미만에서 산화에 내성이다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 재료는 산화에 내성이다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 재료는 산화 방지 특성을 갖는다. 예를 들어, 복합 재료가 공구의 표면에 코팅되는 경우, 복합 재료는 복합 재료로 코팅되지 않은 공구와 비교하여 공구의 산화 속도를 감소시킨다. 대안의 예에서, 복합 재료가 공구의 표면에 코팅되는 경우, 복합 재료는 복합 재료로 코팅되지 않은 공구와 비교하여 공구의 산화를 방지한다. 일부 구체예에서, 복합 재료는 산화 형성을 억제하거나 산화 속도를 감소시킨다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스의 코팅은 코팅되지 않은 공구와 비교하여 공구의 산화 속도를 감소시킨다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 산화 속도를 적어도 1%, 적어도 2%, 적어도 3%, 적어도 4%, 적어도 5%, 적어도 6%, 적어도 7%, 적어도 8%, 적어도 9%, 적어도 10%, 적어도 15%, 적어도 20%, 적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 35%, 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 또는 적어도 90% 감소시킨다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된 단위 셀 복합 매트릭스는 육방정계로 결정되고 X-선 회절로 특징규명된다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 단위 셀 복합 매트릭스는 P63/mmm 또는 P63/mmc이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스의 단위 셀은 육방정계이고 a의 길이는 5.100 내지 5.300 Å이고, 여기서 a는 단위 셀에서 두 개의 인접한 정점 사이의 최단 길이이고, c의 길이는 6.200 내지 6.500 Å이고, 여기서 c는 단위 셀에서 두 개의 인접한 정점 사이의 최장 길이이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스 W1-xTaxB4는 육방정계이고 a의 길이는 5.150 내지 5.300 Å이고, c의 길이는 6.300 내지 6.450 Å이다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스는 고용상을 포함한다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 재료는 고용체를 형성한다.
제조 방법
특정 구체예에서, 복합 매트릭스 제조 방법이 본원에 개시되고, 여기서 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
충분한 양의 W를 상당한 양의 B 및 임의로 M과 조합하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계, 여기서 B 대 W 및 M의 비율은 12 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이고;
복합 매트릭스는 다음을 포함한다:
W1-xMxB4
여기서:
W는 텅스텐이고;
B는 붕소이고;
M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0 내지 0.999이다
일부 구체예에서, 조합 단계는 i) W, B, 및 임의로 M을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, ii) 혼합물을 반응 용기로 옮기는 단계, 및 iii) W, B, 및 임의로 M 사이의 반응을 유도하기에 충분한 온도로 혼합물을 가열하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계를 포함한다. 일부 구체예에서, 조합 단계는 i) W 및 B를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, ii) 혼합물을 반응 용기로 옮기는 단계, 및 iii) W 및 B 사이의 반응을 유도하기에 충분한 온도로 혼합물을 가열하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계를 포함한다. 일부 구체예에서, 조합 단계는 i) W, B, 및 M을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, ii) 혼합물을 반응 용기로 옮기는 단계, 및 iii) W, B, 및 M 사이의 반응을 유도하기에 충분한 온도로 혼합물을 가열하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계를 포함한다.
일부 구체예에서, 조합 단계는 i) W, B, 및 임의로 M을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, ii) 혼합물을 반응 용기로 옮기는 단계, iii) 혼합물이 용융될 때까지 혼합물을 아크 용융하는 단계; 및 iv) 혼합물을 냉각하는 단계를 포함한다.
특정 구체예에서, 화학식 (II)의 복합 매트릭스 제조 방법이 또한 본원에 개시된다:
W1-xMxB4 (II)
여기서:
W는 텅스텐이고;
B는 붕소이고;
M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0.001 내지 0.999이고;
여기서 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 압축 챔버에 붕소, 텅스텐, 및 M의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐 및 M의 비율은 3.5 내지 8.0 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐 및 M인, 단계;
b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계;
c) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계;
d) 반응 용기에 진공을 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및
e) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 화학식 (II)의 복합 매트릭스를 생성하는 단계.
특정 구체예에서, 화학식 (III)의 복합 매트릭스를 포함하는 복합 재료 제조 방법이 본원에 추가로 개시된다:
W1-xMxB4 (III)
여기서 복합 재료에 대한 화학식 (III)의 복합 매트릭스 및 붕소의 백분율은 적어도 95%이고, 여기서,
W는 텅스텐이고;
B는 붕소이고;
M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0 내지 0.999이고;
여기서 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 압축 챔버에 붕소, 텅스텐, 및 임의로 M의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐 및 임의로 M의 비율은 12.0 당량 미만의 붕소 대 1 당량의 텅스텐 및 임의로 M인, 단계;
b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계;
c) 반응 용기의 내부를 전기 절연체로 부분적으로 라이닝하여 절연된 반응 용기를 생성하는 단계;
d) 압축된 원료 혼합물을 절연된 반응 용기에 첨가하는 단계;
e) 절연된 반응 용기에 진공을 적용하거나, 절연된 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계;
f) 압축된 원료 혼합물의 적어도 95% 이상이 용융될 때까지 압축된 원료 혼합물을 아크 용융시키는 단계; 및
g) 절연된 반응 용기를 냉각시켜, 화학식 (III)의 복합 매트릭스를 포함하는 복합 재료를 생성하는 단계.
특정 구체예에서, 복합 매트릭스 제조 방법이 본원에 개시되고, 여기서 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
충분한 양의 W를 상당한 양의 Z 및 M과 조합하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계로서, 여기서 Z 대 W 및 M의 비율은 12 당량 미만의 Z 대 1 당량의 W 및 M이고;
복합 매트릭스는 다음을 포함한다:
W1-xMxZy
여기서:
W는 텅스텐이고;
Z는 붕소 (B), 규소 (Si) 또는 베릴륨 (Be)이고;
M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0.001 이상 0.999 미만이고;
y는 적어도 3.5이다.
특정 구체예에서, 화학식 (IV)의 복합 매트릭스 제조 방법이 또한 본원에 개시된다:
W1-xMxZy (IV)
여기서:
W는 텅스텐이고;
Z는 붕소 (B), 규소 (Si) 또는 베릴륨 (Be)이고;
M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
x는 0.001 내지 0.999이고;
y는 3.5 내지 12.0이고;
여기서 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 압축 챔버에 붕소, 텅스텐, 및 M의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐 및 M의 비율은 3.5 내지 5.0 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐 및 M인, 단계;
b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계;
c) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계;
d) 반응 용기에 진공을 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및
e) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 화학식 (IV)의 복합 매트릭스를 생성하는 단계.
일부 구체예에서, x는 0이고 복합 매트릭스는 WB4를 포함한다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 15.0 내지 약 4 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 12 내지 약 4 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 12 내지 약 6 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 12 내지 약 8 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 11.9 내지 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 11 내지 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W이다. 일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 10.5 내지 약 9.5 당량의 B 대 1 당량의 W이다.
일부 구체예에서, B 대 W의 비율은 약 15.0, 약 13.0, 약 12.0, 약 11.9, 약 11.8, 약 11.6, 약 11.4, 약 11.2, 약 11.0, 약 10.8, 약 10.7, 약 10.6, 약 10.5, 약 10.4, 약 10.3, 약 10.2, 약 10.1, 약 10, 약 9.9, 약 9.8, 약 9.7, 약 9.6, 약 9.5, 약 9.3, 약 9.1, 약 8.8, 약 8.5, 약 8.2, 약 8.0, 약 7, 약 6, 약 5, 또는 약 4 당량의 B 대 1 당량의 W이다.
일부 구체예에서, M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이다.
일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 4 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 4.5 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 4.6 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 4.7 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 4.8 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 4.9 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 5 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 5.1 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 5.2 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 5.3 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 5.4 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 5.5 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 6 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다. 일부 구체예에서, B 대 W 및 M의 비율은 10 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이다.
일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.999의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.005 내지 0.99, 0.01 내지 0.95, 0.05 내지 0.9, 0.1 내지 0.9, 0.001 내지 0.6, 0.005 내지 0.6, 0.01 내지 0.6, 0.05 내지 0.6, 0.1 내지 0.6, 0.2 내지 0.6, 0.3 내지 0.6, 0.4 내지 0.6, 0.001 내지 0.55, 0.005 내지 0.55, 0.01 내지 0.55, 0.05 내지 0.55, 0.1 내지 0.55, 0.2 내지 0.55, 0.3 내지 0.55, 0.4 내지 0.55, 0.45 내지 0.55, 0.001 내지 0.5, 0.005 내지 0.5, 0.01 내지 0.5, 0.05 내지 0.5, 0.1 내지 0.5, 0.2 내지 0.5, 0.3 내지 0.5, 0.4 내지 0.5, 0.5 내지 0.55, 0.45 내지 0.5, 0.001 내지 0.4, 0.005 내지 0.4, 0.01 내지 0.4, 0.05 내지 0.4, 0.1 내지 0.4, 0.2 내지 0.4, 0.001 내지 0.3, 0.005 내지 0.3, 0.01 내지 0.3, 0.05 내지 0.3, 0.1 내지 0.3, 0.001 내지 0.2, 0.005 내지 0.2, 0.01 내지 0.2, 0.05 내지 0.2, 또는 0.1 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.9의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.6, 0.005 내지 0.6, 0.001 내지 0.4, 또는 0.001 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.3의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.001 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.3의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.01 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.8의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.7의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.3의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.1 내지 0.2의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.8의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.7의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.2 내지 0.3의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.8의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.7의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.3 내지 0.4의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.4 내지 0.8의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.4 내지 0.7의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.4 내지 0.6의 범위 내의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 포괄적으로 0.4 내지 0.5의 범위 내의 값을 갖는다.
일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.999 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.9 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.6 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.5 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.4 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.3 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.2 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.001 이상 0.05 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.01 이상 0.5 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.01 이상 0.4 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.01 이상 0.3 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.01 이상 0.2 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.1 이상 0.5 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.1 이상 0.4 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.1 이상 0.3 미만이다. 일부 구체예에서, x는 0.1 이상 0.2 미만이다.
일부 구체예에서, x는 약 0.001, 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, 0.47, 0.48, 0.49, 0.5, 0.51, 0.52, 0.53, 0.54, 0.55, 0.56, 0.57, 0.58, 0.59, 0.6, 0.65, 0.7, 0.8, 0.9, 0.95, 0.99, 또는 약 0.999의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.001의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.005의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.01의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.05의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.1의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.15의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.2의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.3의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.4의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.41의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.42의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.43의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.44의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.45의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.46의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.47의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.48의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.49의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.5의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.51의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.52의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.53의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.54의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.55의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.56의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.57의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.58의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.59의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.6의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.7의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.8의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.9의 값을 갖는다. 일부 구체예에서, x는 약 0.99의 값을 갖는다.
일부 구체예에서, x는 0.001-0.200이다. 일부 구체예에서, x는 0.201-0.400이다. 일부 구체예에서, x는 0.401-0.600이다. 일부 구체예에서, x는 0.601-0.800이다. 일부 구체예에서, x는 0.801-0.999이다.
일부 구체예에서, x는 약 0.05이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.25이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.50이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.75이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.80이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.85이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.90이다. 일부 구체예에서, x는 약 0.95이다.
일부 구체예에서, y는 약 3.5이다. 일부 구체예에서, y는 약 3.75이다. 일부 구체예에서, y는 약 4.0이다. 일부 구체예에서, y는 약 4.25이다. 일부 구체예에서, y는 약 4.5이다. 일부 구체예에서, y는 약 4.75이다. 일부 구체예에서, y는 약 5.0이다. 일부 구체예에서, y는 약 5.5이다. 일부 구체예에서, y는 약 6.0이다. 일부 구체예에서, y는 약 6.5이다. 일부 구체예에서, y는 약 7.0이다. 일부 구체예에서, y는 약 7.5이다. 일부 구체예에서, y는 약 8.0이다. 일부 구체예에서, y는 약 8.5이다. 일부 구체예에서, y는 약 9.0이다. 일부 구체예에서, y는 약 9.5이다. 일부 구체예에서, y는 약 10.0이다. 일부 구체예에서, y는 약 10.5이다. 일부 구체예에서, y는 약 11.0이다. 일부 구체예에서, y는 약 11.5이다. 일부 구체예에서, y는 약 12.0이다.
일부 구체예에서, Z는 붕소이다. 일부 구체예에서, Z는 베릴륨이다. 일부 구체예에서, Z는 규소이다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4를 포함한다.
특정 구체예에서, 열역학적으로 안정한 텅스텐 사붕화물 복합 매트릭스 제조 방법이 본원에 추가로 개시되고; 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 압축 챔버에 붕소 (B) 및 텅스텐 (W)의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐의 비율은 4 내지 11.9 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐인, 단계;
b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계;
c) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계;
d) 반응 용기에 진공을 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및
e) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 열역학적으로 안정한 WB4 복합 매트릭스를 생성하는 단계.
일부 구체예에서, 혼합물은 전기 아크로, 유도로, 또는 스파크 플라스마 소결기가 임의로 장착된 열간 프레스에서 가열, 용융 또는 소결된다.
일부 구체예에서, 반응은 고상 반응이다. 일부 구체예에서, 반응은 혼합물에서 적어도 하나의 성분의 부분적인 용융을 필요로 한다. 일부 구체예에서, 반응은 혼합물에서 적어도 하나의 성분의 완전한 용융을 필요로 한다.
특정 구체예에서, 본원에 기재된 것은 산화 내성 복합 매트릭스 제조 방법을 포함한다. 일부 구체예에서, 산화 내성 복합 매트릭스 제조 방법은 (a) 분말 혼합물을 생성하기에 충분한 시간 동안 붕소 및 금속을 함께 혼합하는 단계; (b) 펠렛을 생성하기에 충분한 압력 하에서 분말 혼합물을 프레싱하는 단계; 및 (c) 복합 매트릭스를 제조하기에 충분한 온도에서 펠렛을 소결, 가열, 또는 용융시키는 단계를 포함한다.
일부 구체예에서, 예를 들어, 화학식 II의 복합 매트릭스, 화학식 III의 복합 매트릭스, 화학식 IV의 복합 매트릭스, 열역학적으로 안정한 텅스텐 사붕화물 복합 매트릭스 및/또는 산화 내성 복합 매트릭스를 생성하기 위한 본원에 기재된 방법은, 불활성 분위기 또는 진공 하에 원소의 혼합물의 소결, 가열 또는 용융을 필요로 한다. 일부 구체예에서, 불활성 또는 진공 분위기는 혼합물을 반응 용기로 옮긴 후 및 임의의 가열 전에 도입된다. 일부 구체예에서, 진공이 반응 용기에 적용된다. 일부 구체예에서, 진공은 적어도 10 분, 20 분, 30 분 이상 동안 적용된다. 일부 구체예에서, 산소는 반응 용기로부터 제거된다. 일부 구체예에서, 진공은 반응 용기로부터 적어도 99%의 산소를 제거하기에 충분한 시간 동안 적용된다.
일부 구체예에서 불활성 분위기는 헬륨, 아르곤 또는 이질소와 같은 불활성 기체이다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 불활성 기체로 퍼지되어 불활성 분위기를 생성한다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 반응 용기로부터 산소를 제거하기 위한 진공 적용 및 불활성 기체를 사용한 반응 용기 플러싱의 적어도 하나의 사이클을 거친다. 일부 경우에, 반응 용기는 반응 용기로부터 산소를 제거하기 위한 진공 적용 및 불활성 기체를 사용한 반응 용기 플러싱의 2, 3, 4, 5, 6 이상의 사이클을 거친다. 일부 경우에, 이 과정은 원하는 산소 수준이 지속될 때까지 반복된다.
일부 구체예에서, 혼합물은 붕소가 용융되고 다른 금속을 용해시킬 때까지 가열되어, 액체 용액을 형성한다. 일부 구체예에서, 액체 붕소는 금속을 용해시키지 않고, 혼합물은 붕소 및 금속이 용융될 때까지 가열되고, 예를 들어, 여기서 적어도 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, 또는 100%의 붕소 및 금속이 용융된다. 일부 구체예에서, 일정량의 붕소(예를 들어, 10%, 5%, 1%, 0.5%, 또는 0.1% 미만의 붕소)가 가열 동안 휘발된다.
일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 5 분 내지 약 6 시간이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 5 분, 약 10 분, 약 15 분, 약 20 분, 약 30 분, 약 45 분, 약 1 시간, 약 1.5 시간, 약 2 시간, 약 3 시간, 약 4 시간, 약 5 시간, 또는 약 6 시간이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 적어도 5 분 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 10 분 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 20 분 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 30 분 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 45 분 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 1 시간 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 2 시간 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 3 시간 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 4 시간 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 5 시간 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 6 시간 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 8 시간 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 10 시간 이상이다. 일부 구체예에서, 혼합 시간은 약 12 시간 이상이다.
일부 구체예에서, 펠렛을 생성하기 위해 최대 36,000 psi의 압력이 이용된다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 34,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 32,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 30,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 28,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 26,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 24,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 22,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 20,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 18,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 16,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 15,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 14,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 10,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 8,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 5,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 3,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 2,000 psi이다. 일부 구체예에서, 압력은 최대 1,000 psi이다.
일부 구체예에서, 펠렛은 유압 프레스를 사용하여 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 1-20 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 2-18 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 4-16 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 6-14 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 8-12 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 9-11 톤 하중 하에서 압축된다.
일부 구체예에서, 펠렛은 유압 프레스를 사용하여 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 1 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 2 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 3 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 4 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 5 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 6 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 7 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 8 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 9 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 10 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 11 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 12 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 13 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 14 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 15 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 분말은 20 톤 하중 하에서 압축된다. 일부 구체예에서, 금속 및 붕소는 펠렛이 아닌 형태로 압축된다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된 방법은 원소의 혼합물을 소결, 가열, 또는 용융하는 것을 추가로 포함한다. 일부 구체예에서, 혼합물은 블렌딩된다. 일부 구체예에서, 소결, 가열, 또는 용융은 복합 매트릭스를 생성한다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1000℃ 내지 4000℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1100℃ 내지 3600℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1200℃ 내지 2200℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1300℃ 내지 2200℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1400℃ 내지 2200℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1000℃ 내지 1800℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1000℃ 내지 1700℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1200℃ 내지 1800℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1300℃ 내지 1700℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1000℃ 내지 1600℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1500℃ 내지 1800℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1500℃ 내지 1700℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1500℃ 내지 1600℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1600℃ 내지 2200℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1600℃ 내지 1900℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1600℃ 내지 1800℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1600℃ 내지 1700℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1700℃ 내지 2200℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1700℃ 내지 1900℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1700℃ 내지 1800℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1800℃ 내지 2000℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1800℃ 내지 1900℃이다. 일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 1900℃ 내지 2200℃이다.
일부 구체예에서, 소결, 가열 또는 용융 동안의 온도는 약 1000℃, 약 1100℃, 약 1200℃, 약 1300℃, 약 1400℃, 약 1500℃, 약 1600℃, 약 1700℃, 약 1800℃, 약 1900℃, 약 2000℃, 2100℃, 2200℃, 또는 2300℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1000℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1100℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1200℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1300℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1400℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1500℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1600℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1700℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1800℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 1900℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 2000℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 2100℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 2200℃이다. 일부 구체예에서, 온도는 약 2300℃이다.
일부 구체예에서 혼합물은 약 5 분, 10 분, 15 분, 20 분, 30 분, 60 분, 90 분, 120 분, 180 분, 240 분, 300 분, 360 분, 420 분, 480 분, 540 분 이상 동안 가열된다.
일부 구체예에서, 가열은 목표 온도로 도가니를 가열하거나 조성물을 가열하여 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 1℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 5℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 10℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 15℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 20℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 25℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 30℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 35℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 40℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 45℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 50℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 55℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 60℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 65℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 70℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 75℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 80℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 90℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 분당 약 100℃의 속도에서 일어난다.
일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 약 1℃ 내지 약 100℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 적어도 약 1℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 최대 약 100℃의 속도에서 일어난다. 일부 구체예에서, 도가니 가열 또는 반응은 약 1℃ 내지 약 5℃, 약 1℃ 내지 약 10℃, 약 1℃ 내지 약 20℃, 약 1℃ 내지 약 30℃, 약 1℃ 내지 약 40℃, 약 1℃ 내지 약 50℃, 약 1℃ 내지 약 60℃, 약 1℃ 내지 약 70℃, 약 1℃ 내지 약 80℃, 약 1℃ 내지 약 90℃, 약 1℃ 내지 약 100℃, 약 5℃ 내지 약 10℃, 약 5℃ 내지 약 20℃, 약 5℃ 내지 약 30℃, 약 5℃ 내지 약 40℃, 약 5℃ 내지 약 50℃, 약 5℃ 내지 약 60℃, 약 5℃ 내지 약 70℃, 약 5℃ 내지 약 80℃, 약 5℃ 내지 약 90℃, 약 5℃ 내지 약 100℃, 약 10℃ 내지 약 20℃, 약 10℃ 내지 약 30℃, 약 10℃ 내지 약 40℃, 약 10℃ 내지 약 50℃, 약 10℃ 내지 약 60℃, 약 10℃ 내지 약 70℃, 약 10℃ 내지 약 80℃, 약 10℃ 내지 약 90℃, 약 10℃ 내지 약 100℃, 약 20℃ 내지 약 30℃, 약 20℃ 내지 약 40℃, 약 20℃ 내지 약 50℃, 약 20℃ 내지 약 60℃, 약 20℃ 내지 약 70℃, 약 20℃ 내지 약 80℃, 약 20℃ 내지 약 90℃, 약 20℃ 내지 약 100℃, 약 30℃ 내지 약 40℃, 약 30℃ 내지 약 50℃, 약 30℃ 내지 약 60℃, 약 30℃ 내지 약 70℃, 약 30℃ 내지 약 80℃, 약 30℃ 내지 약 90℃, 약 30℃ 내지 약 100℃, 약 40℃ 내지 약 50℃, 약 40℃ 내지 약 60℃, 약 40℃ 내지 약 70℃, 약 40℃ 내지 약 80℃, 약 40℃ 내지 약 90℃, 약 40℃ 내지 약 100℃, 약 50℃ 내지 약 60℃, 약 50℃ 내지 약 70℃, 약 50℃ 내지 약 80℃, 약 50℃ 내지 약 90℃, 약 50℃ 내지 약 100℃, 약 60℃ 내지 약 70℃, 약 60℃ 내지 약 80℃, 약 60℃ 내지 약 90℃, 약 60℃ 내지 약 100℃, 약 70℃ 내지 약 80℃, 약 70℃ 내지 약 90℃, 약 70℃ 내지 약 100℃, 약 80℃ 내지 약 90℃, 약 80℃ 내지 약 100℃, 또는 약 90℃ 내지 약 100℃의 속도에서 일어난다.
일부 구체예에서, 가열은 목표 온도로 도가니를 가열하거나 조성물을 가열하여 일어난다. 이후 반응 또는 도가니 온도가 일정 기간 동안 유지된다. 일부 구체예에서, 반응 또는 도가니는 약 5 분, 10 분, 15 분, 20 분, 30 분, 60 분, 90 분, 120 분, 180 분, 240 분, 300 분, 360 분, 420 분, 480 분, 540 분 이상 동안 목표 온도에서 유지된다.
일부 구체예에서, 소결, 가열, 또는 용융은 전류를 사용하여 수행된다. 일부 구체예에서, 용융은 아크-용융에 의해 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 50 Amp (A) 이상의 전류 (I)로 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 60 A 이상의 I로 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 65 A 이상의 I로 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 70 A 이상의 I로 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 75 A 이상의 I로 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 80 A 이상의 I로 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 90 A 이상의 I로 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 100 A 이상의 I로 수행된다.
일부 구체예에서, 아크로 전극은 흑연 또는 텅스텐 금속으로 만들어진다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 수냉된다.
일부 구체예에서, 아크 용융은 불활성 기체 분위기에서 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 아르곤 분위기에서 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 헬륨 분위기에서 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 이질소 분위기에서 수행된다.
일부 구체예에서, 아크 용융은 0.01-10 분 동안 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 0.01-8 분 동안 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 0.01-6 분 동안 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 0.01-5 분 동안 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 0.01-4 분 동안 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 0.5-3 분 동안 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 0.8-2.5 분 동안 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 1-2 분 동안 수행된다.
일부 구체예에서, 아크 용융은 혼합물이 용융될 때까지 수행된다. 혼합물의 용융은 시각적으로 또는 혼합물 특성의 변화, 예를 들어 저항, 열용량, 열흐름 또는 온도의 변화에 의해 관찰될 수 있다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 혼합물이 부분적으로 용융될 때까지 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 혼합물이 대부분 용융될 때까지 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 혼합물이 완전히 용융될 때까지 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 혼합물이 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 또는 99% 용융될 때까지 수행된다. 일부 구체예에서, 아크 용융은 혼합물이 약 50%, 60%, 70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 또는 99% 용융될 때까지 수행된다.
일부 구체예에서, 소결은 실온에서 수행된다. 일부 경우에, 소결은 약 23℃ 내지 약 27℃의 온도 범위에서 수행된다. 일부 경우에, 소결은 약 24℃, 약 25℃ 또는 약 26℃의 온도에서 수행된다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된 소결, 가열 또는 용융은 승온 및 승압, 예를 들어, 열간 프레싱을 포함한다. 열간 프레싱은 압력 및 고온의 동시 적용을 포함하는 공정으로, 재료(예를 들어, 본원에 기재된 복합 매트릭스)의 치밀화 속도를 가속시킬 수 있다. 일부 구체예에서, 열간 프레싱 동안 1000℃ 내지 2200℃의 온도 및 최대 36,000 psi의 압력이 사용된다. 일부 구체예에서, 가열은 플라스마 스파크 소결에 의해 달성된다.
다른 구체예에서, 본원에 기재된 소결 단계는 승압 및 실온, 예를 들어, 냉간 프레싱을 포함한다. 그러한 구체예에서, 최대 36,000 psi의 압력이 사용된다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된 소결, 가열 또는 용융은 노에서 수행된다. 일부 구체예에서 노는 유도로이다. 일부 구체예에서, 유도로는 전자기 유도에 의해 가열된다. 일부 구체예에서, 전자기 유도에 사용되는 전자기 복사는 라디오파의 주파수 및 파장을 갖는다. 일부 구체예에서, 전자기 유도에 사용되는 전자기 복사는 약 3 Hz 내지 약 300 GHz의 주파수 및 1 mm 내지 10,000 km의 파장을 갖는다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 3 Hz 내지 약 30 Hz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 30 Hz 내지 약 300 Hz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 300 Hz 내지 약 3000 Hz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 3 kHz 내지 약 30 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 30 kHz 내지 약 300 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 300 kHz 내지 약 3000 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 3 MHz 내지 약 30 MHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 30 MHz 내지 약 300 MHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 300 MHz 내지 약 3000 MHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 3 GHz 내지 약 30 GHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 30 GHz 내지 약 300 GHz이다.
일부 구체예에서, 반응 용기는 10-50 kHz의 주파수로 전자기 복사에 의해 유도 가열되는 탄소 흑연으로 라이닝된다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 50 Hz 내지 약 400 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 60 Hz 내지 약 400 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 100 Hz 내지 약 400 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 1 kHz 내지 약 400 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 10 kHz 내지 약 300 kHz이다.
일부 구체예에서, 주파수는 약 50 kHz 내지 약 200 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 100 kHz 내지 약 200 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 1 kHz 내지 약 50 kHz이다. 일부 구체예에서, 주파수는 약 50 kHz 내지 약 100 kHz이다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된 가열 또는 용융은 통상적인 노에서 수행된다. 일부 구체예에서, 통상적인 노는 금속 코일의 사용 또는 연소를 통해 도가니 또는 샘플을 가열한다.
일부 구체예에서, 원료 혼합물은 가열 시 산소 및 탄소와 반응한다. 전기 아크로, 유도로, 통상적인 노, 열간 프레싱 또는 플라스마 소결에 의한 혼합물 가열은 원료 혼합물의 대부분이 산소 또는 탄소와 접촉하지 않는 것을 필요로 한다. 일부 구체예에서, (압축되거나 그렇지 않은) 반응 혼합물은 절연 재료에 의해 반응 챔버로부터 임의로 차폐된다. 일부 구체예에서, 반응 혼합물은 전기 절연 재료에 의해 반응 챔버로부터 임의로 차폐된다. 일부 구체예에서, 혼합물의 표면의 최대 약 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 이하가 전기 절연 재료에 의해 반응 챔버로부터 임의로 차폐된다. 일부 구체예에서, 절연 재료는 육방정계 질화 붕소(h-BN)를 포함한다. 일부 구체예에서, 절연 물질은 탄소를 함유하지 않는다. 일부 구체예에서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 아크로 전극으로부터 차폐된다.
일부 구체예에서, 반응 챔버는 라이너에 의해 반응 혼합물로부터 분리된다. 일부 구체예에서, 라이너는 h-BN 라이너이다. 일부 구체예에서, 라이너는 금속 라이너이다. 일부 구체예에서, 라이너는 하나 이상의 전이 원소로 구성된다. 일부 구체예에서, 금속 라이너는 4 족, 5 족, 6 족 또는 7 족 전이 금속을 포함한다. 일부 구체예에서, 금속 라이너는 다음 원소 중 적어도 하나를 포함한다: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, 및 Re. 일부 구체예에서, 금속 라이너는 Nb, Ta, Mo, 또는 W를 포함한다. 일부 구체예에서, 금속 라이너는 Nb를 포함한다. 일부 구체예에서, 금속 라이너는 Ta를 포함한다. 일부 구체예에서, 금속 라이너는 Mo를 포함한다. 일부 구체예에서, 금속 라이너는 W를 포함한다.
일부 구체예에서, 라이너는 약 0.05 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.10 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.15 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.20 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.25 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.30 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.05 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.35 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.40 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.05 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.45 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.50 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.75 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 1.0 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 5.0 mm의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 10.0 mm의 두께를 갖는다.
일부 구체예에서, 라이너는 약 0.05 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.10 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.15 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.20 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.25 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.30 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.05 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.35 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.40 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.05 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.45 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.50 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 0.75 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 1.0 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 5.0 mm 이상의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 라이너는 약 10.0 mm 이상의 두께를 갖는다.
일부 구체예에서, 혼합물은 아크 용융, 유도로, 또는 종래의 노에 의해 완전히 용융되고 냉각된다. 냉각 속도는 복합 매트릭스 내에 형성되는 결정립의 크기에 기여한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 10,000 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 1000 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 500 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 400 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 300 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 200 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 100 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 75 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 50 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 25 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 20 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 10 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 5 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 4 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 3 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 2 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 크기가 1 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성된다.
일부 구체예에서, 반응 용기는 수냉된다. 일부 구체예에서, 반응 용기는 흑연 라이닝된다.
일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 결정질이다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 표 3에 나타난 WB4의 X-선 분말 회절 패턴에서 발견된 하나 이상의 피크를 포함하는 X-선 분말 회절 패턴을 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 24.2에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 34.5에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 45.1에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 47.5에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 61.8에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 69.2에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 69.4에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 79.7에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 89.9에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 110.2에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 34.5 또는 약 45.1에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 47.5, 약 61.8, 약 69.2, 약 69.4, 약 79.7, 약 89.9, 약 또는 약 110.2에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 24.2, 약 28.1, 약 34.5, 약 42.5, 약 45.1, 약 47.5, 약 55.9, 약 61.8, 약 69.2, 약 69.4 ± 0.2, 79.7, 약 89.9, 또는 약 110.2에서 적어도 하나의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 24.2, 약 28.1, 약 34.5, 약 42.5, 약 45.1, 약 47.5, 약 55.9, 약 61.8, 약 69.2, 약 69.4 ± 0.2, 79.7, 약 89.9, 또는 약 110.2에서 적어도 둘의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 24.2, 약 28.1, 약 34.5, 약 42.5, 약 45.1, 약 47.5, 약 55.9, 약 61.8, 약 69.2, 약 69.4 ± 0.2, 79.7, 약 89.9, 또는 약 110.2에서 적어도 셋의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 24.2, 약 28.1, 약 34.5, 약 42.5, 약 45.1, 약 47.5, 약 55.9, 약 61.8, 약 69.2, 약 69.4 ± 0.2, 79.7, 약 89.9, 또는 약 110.2에서 적어도 넷의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 24.2, 약 28.1, 약 34.5, 약 42.5, 약 45.1, 약 47.5, 약 55.9, 약 61.8, 약 69.2, 약 69.4 ± 0.2, 79.7, 약 89.9, 또는 약 110.2에서 적어도 다섯의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 약 24.2, 약 28.1, 약 34.5, 약 42.5, 약 45.1, 약 47.5, 약 55.9, 약 61.8, 약 69.2, 약 69.4 ± 0.2, 79.7, 약 89.9, 또는 약 110.2에서 적어도 여섯의 X-선 분말 회절 패턴 피크를 나타낸다.
공구 및 연마재
마모는 공구 및 기계의 일반적 사용의 일부이다. 예를 들어, 연삭 마모(abrasion wear), 응착 마모(adhesion wear), 마멸 마모(attrition wear), 확산 마모(diffusion wear), 피로 마모(fatigue wear), 선단 치핑(edge chipping) (또는 조기 마모(premature wear)), 및 산화 마모(oxidation wear) (또는 부식 마모(corrosive wear))를 포함하는 다양한 유형의 마모 메커니즘이 있다. 연삭 마모는 경질 입자 또는 파편, 예컨대 칩이 절삭 공구의 표면을 지나치거나 연삭할 때 일어난다. 응착 마모 또는 마멸 마모는 파편이 공구로부터 미세 조각을 제거할 때 일어난다. 결정 격자 내의 원자가 고농도 영역으로부터 저농도 영역으로 이동하고 이동이 공구의 표면 구조를 약화시킬 때 확산 마모가 일어난다. 피로 마모는 두 표면이 고압 하에서 서로 접촉하여 미끄러져 표면 균열을 발생시킬 때 미시적 수준에서 일어난다. 선단 치핑 또는 조기 마모는 공구의 표면으로부터 재료가 조금 떨어져 나갈 때 일어난다. 산화 마모 또는 부식 마모는 공구의 표면과 산소 사이의 화학적 반응의 결과로서 발생한다.
일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스(예를 들어, 화학식 I의 복합 매트릭스, 화학식 II의 복합 매트릭스, 화학식 III의 복합 매트릭스, 및/또는 화학식 IV의 복합 매트릭스)는 공구 또는 연마재를 제조, 변형 또는 코팅하기 위해 사용된다. 일부 구체예에서, 본원에 기재된 복합 매트릭스(예를 들어, 화학식 I의 복합 매트릭스, 화학식 II의 복합 매트릭스, 화학식 III의 복합 매트릭스, 및/또는 화학식 IV의 복합 매트릭스)는 공구 또는 연마재의 표면에 코팅된다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재의 표면은 본원에 기재된 복합 매트릭스(예를 들어, 화학식 I의 복합 매트릭스, 화학식 II의 복합 매트릭스, 화학식 III의 복합 매트릭스, 및/또는 화학식 IV의 복합 매트릭스)로 변형된다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재의 표면은 본원에 기재된 복합 매트릭스(예를 들어, 화학식 I의 복합 매트릭스, 화학식 II의 복합 매트릭스, 화학식 III의 복합 매트릭스, 및/또는 화학식 IV의 복합 매트릭스)를 포함한다.
일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 절삭 공구를 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 절삭, 드릴링, 에칭, 인각, 연삭, 조각, 또는 연마를 위한 공구 또는 공구의 부품을 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는, 예를 들어 금속 결합 연마 휠 또는 연삭 휠과 같은 금속 결합 연마 공구를 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 절삭 공구를 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 드릴 비트, 인서트 또는 다이를 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 다운홀 툴링에서 사용되는 공구 또는 부품을 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 에칭 공구를 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 인각 공구를 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 연삭 공구를 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 조각 공구를 포함한다. 일부 구체예에서, 공구 또는 연마재는 연마 공구를 포함한다.
특정 용어
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 청구된 발명 주제가 속하는 기술 분야의 당업자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 임의의 발명 주제를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서, 단수형의 사용은 구체적으로 다르게 언급되지 않는 한 복수형을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a," "an" 및 "the"는 문맥상 명백하게 다르게 지시되지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함함에 유념해야 한다. 본 출원에서, "또는"의 사용은 달리 언급되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. 또한, 용어 "포함하는(including)" 및 다른 형태, 예컨대 "포함하다(include)", "포함하다(includes)" 및 "포함했다(included)"의 사용이 제한되지 않는다.
비록 본 개시의 다양한 특징이 단일 구체예의 맥락에서 설명될 수 있기는 하지만, 특징은 또한 개별적으로 또는 임의의 적절한 조합으로 제공될 수 있다. 반대로, 비록 본 개시가 명확성을 위해 개별적인 구체예의 맥락에서 본원에서 설명될 수 있기는 하지만, 본 개시는 또한 단일 구체예에서 구현될 수 있다.
명세서에서 "일부 구체예", "구체예", "한 구체예" "또 다른 구체예" 또는 "다른 구체예"에 대한 언급은 구체예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 개시의 적어도 일부 구체예에 포함되지만, 반드시 모든 구체예는 아님을 의미한다.
본원에 사용된 범위 및 양은 "약" 특정 값 또는 범위로 표현될 수 있다. 약은 또한 정확한 양을 포함한다. 따라서 "약 5 GPa"는 "약 5 GPa" 및 "5 GPa"를 의미한다. 일반적으로, 용어 "약"은 실험적 오차 내에 있을 것으로 예상되는 양, 예를 들어 ±5%, ±10% 또는 ±15%를 포함한다. 일부 구체예에서, "약"은 ± 5 %를 포함한다. 일부 구체예에서, "약"은 ± 10 %를 포함한다. 일부 구체예에서, "약"은 ± 15 %를 포함한다. 일부 구체예에서, 2 세타에서의 X-선 분말 회절 피크를 언급할 때, 용어 "약"은 ± 0.2 옹스트롬을 포함한다.
용어 "부분적으로"는 95% 미만인 양을 기재하는 것으로 의도된다.
용어 "완전히"는 95% 이상의 양을 기재하는 것으로 의도된다.
용어 "열역학적으로 안정한" 또는 "안정한"은 23 ℃ 및 1 기압의 압력에서 환경과 화학적 평형인 물질의 상태를 기재한다. 본원에 기재된 안정한 상태는 23 ℃ 및 1 atm에서 에너지를 소비 또는 방출하지 않는다.
용어 "복합 매트릭스" 및 "복합물"은 상호 교환적으로 사용될 수 있고, 적어도 하나의 성분이 상기 기재된 변수 M 및 x를 갖는 결정질 W1-xMxB4인 원자의 집합을 지칭한다. 결정질 W1-xMxB4의 적어도 하나의 성분은 본원에 개시된 X-선 분말 회절 피크를 나타낸다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 결정질 W1-xMxB4를 포함한다. 일부 구체예에서, 복합 매트릭스는 본질적으로 결정질 W1-xMxB4로 구성된다.
본원에서 사용된 섹션 제목은 단지 조직적 목적을 위한 것이며 기재된 발명 대상을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예
이들 실시예는 단지 예시적인 목적으로 제공되며 본원에 제공된 청구범위의 범위를 제한하지 않는다.
실시예 1. X 선 회절
분말 XRD는 CuKα X-선 복사(λ = 1.5418 Å)를 이용하여 Bruker D8 Discover 분말 X-선 회절분석계(Bruker Corporation, Germany)에서 수행되었다. 다음의 스캔 파라미터가 사용되었다: 5-100o 2θ 범위, 0.3 초의 스텝당 시간, 0.1055o/초의 스캔 속도로 0.0353o의 스텝 크기. 분말 X-선 회절 데이터에 존재하는 상을 결정하기 위해, 분말 회절 표준에 관한 공동 위원회(Joint Committee on Powder Diffraction Standards, JCPDS) 데이터베이스를 사용했다. 샘플의 조성 및 순도는 UltraDry EDS 검출기(Thermo Scientific, U.S.A.)와 함께 FEI Nova 230 고해상도 주사 전자 현미경(FEI Company, U.S.A.)에서 결정되었다. Maud 소프트웨어를 이용하는 Rietveld 정밀화가 셀 파라미터를 결정하기 위해 수행되었다.
표 1은 아크-용융에 의해 가변적인 붕소 대 금속 비율로 제조된 WB4에 대한 단위 셀 데이터, 밀도 및 상 %를 나타낸다. "순수한" WB4의 밀도는 8.5-9.5g/cm3이고, 이는 입계에서 침전되는 과잉 붕소를 고려하지 않을 것이다. 제제가 W:B, 1:10 (최대 1:12)이 되도록 과잉의 붕소를 갖는 "실제 세계" 샘플의 경우에, 샘플은 5.15g/cm3의 밀도를 가질 것이다. 입계에서 결정질 붕소의 존재로 인해 붕소 함량이 증가함에 따라 밀도가 감소한다. 붕소는 2.29g/cm3의 밀도를 가지므로, 가중 평균은 더 낮은 전체 밀도로 이동한다.
텅스텐 사붕화물의 결정 구조(P63/mmc)가 도 1에 나타난다. 텅스텐 원자는 검정색으로 나타나는 한편, 붕소 원자는 절반 회색으로 나타나고; 절반이 채워진 원자는 부분적인 점유를 나타낸다. 가변적인 붕소 조성으로 아크 용융에 의해 제조된 WB4의 X-선 분말 회절도가 도 2에 나타난다. 텅스텐 사붕화물은 W:B의 모든 비율에서 형성되고; 텅스텐 이붕화물 WB2 는 1:9.0의 W:B 비율 미만에서 나타난다.
Figure pct00001
표준 편차는 괄호 안에 주어지고; 상 % 값은 SEM 이미지의 면적 분석으로부터 계산되고; XRD로부터 텅스텐 사붕화물 상의 밀도는 8.40 g/cm3이다.
밀도(ρ) 측정은 공기 중 샘플의 무게 및 보조 액체(에탄올) 측정에 의해 밀도 결정 키트(Mettler-Toledo, U.S.A.)을 이용하여 수행되었고; 밀도는 다음 식을 사용하여 계산되었다:
Figure pct00002
여기서 A는 공기 중 샘플의 무게이고, B는 보조 액체(에탄올) 중의 샘플의 무게이고, ρ 0는 보조 액체의 밀도(에탄올 - 0.789 g/cm3)이고, ρ L 은 공기의 밀도(0.0012 g/cm3)이다.
이들 데이터는 텅스텐 사붕화물 상이 모든 텅스텐 대 붕소 비율에서 존재함을 보여준다. 또한, 임의의 이차 텅스텐-붕소 상이 없는 WB4가 1:11.6 내지 1:9.0의 W:B 비율로 용이하게 제조될 수 있지만; 사용된 화학량론으로 인해, 과잉의 결정질 붕소(β-능방정계 붕소)가 샘플에 존재할 것이다. 상태도에서 알 수 있는 바와 같이 더 하위의 붕화물 상인 텅스텐 이붕화물은 1:11.6 이하의 W:B 비율에서 나타나고; pXRD로부터, 이붕화물 피크는 1:8.5 이하의 W:B 비율에서 나타난다. 텅스텐-붕소 시스템에 대한 상태도 분석에서, 텅스텐 사붕화물이 불완전하게 용융되는 상 및 포정 분해 생성물이므로, 이것이 1:4의 공칭 조성 W:B의 용융물 냉각 시 과잉의 붕소와 공존할 수 있음에 유념해야 한다. 표 1은 WB4에 대한 단위 셀 데이터를 제공하고, 이는 11.6에서 4.5까지의 붕소 비율에 대해 텅스텐 사붕화물 상에 대해 현저한 격자 파라미터 변화가 없음을 나타낸다.
표 2는 아크 용융에 의해 4.5 대 1의 붕소 대 금속 비율로 제조된 W1-xTaxB4에 대한 단위 셀 데이터를 나타낸다. W1-xTaxB4의 X-선 분말 회절도가 도 2에 나타난다. 텅스텐 사붕화물은 모든 농도의 Ta에서 형성되고; 텅스텐 이붕화물 WB2는 25 at.% Ta의 탄탈럼 함량에서 사라지며, 가시적인 TaB2 피크가 50 at.% Ta의 탄탈럼 함량에서 나타난다. W0.668Ta0.332B4의 조성을 갖는 샘플은 WB4 피크만을 포함한다.
Figure pct00003
표준 편차는 괄호 안에 주어진다.
표 3은 본원에 개시된 방법에 의해 합성된 결정질 WB4로부터 수집된 X-선 분말 회절 데이터를 나타낸다. 표 3은 밀러 지수 (h,k,l), 거리 (옹스트롬) 및 2 세타 (도) 측면에서 각각의 회절 피크의 위치를 포함한다. 표 3은 또한 2 세타 = 24.232에 위치한 회절 피크와 비교하여 각각의 회절 피크의 상대 강도를 포함한다. 회절 데이터는 구리 복사원(λ = 1.5418 Å)을 이용하는 X-선 회절계를 사용하여 293 K에서 수집되었다.
Figure pct00004
도 3은 아크 용융에 의해 제조되고 4.5 대 1의 붕소 대 금속 비율을 갖는 W1-xTaxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다.
도 4는 아크 용융에 의해 제조되고 4.5 대 1의 붕소 대 금속 비율을 갖는 W1-xNbxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다. 텅스텐 사붕화물은 모든 농도의 Nb에서 형성된다. 텅스텐 이붕화물 WB2는 33.2 at.% Nb의 니오븀 함량에서 사라지고, 가시적인 NbB2 피크는 33.2 at.% Nb의 니오븀 함량에서 나타난다.
도 5는 아크 용융에 의해 제조되고 4.5 대 1의 붕소 대 금속 비율을 갖는 W1-xVxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다. 텅스텐 사붕화물은 모든 농도의 V에서 형성된다. 가시적인 VB2 피크가 33.3 at.% V의 바나듐 함량에서 나타난다.
도 6은 아크 용융에 의해 제조되고 4.5 대 1의 붕소 대 금속 비율을 갖는 W1-xMoxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다. 1:4.5의 M:B 비율로 제조된 W1-xMoxB4의 합금의 분말 XRD 패턴(15 - 80o 2θ). 몰리브덴이 또한 유사한 결정 구조를 갖는 사붕화물 MoB4를 형성하므로 텅스텐 사붕화물이 모든 농도의 Mo에서 형성된다. 텅스텐 이붕화물 WB2는 모든 농도의 Mo에서 존재하고; MoB2는 ~50 at.% Mo에서 형성된다.
도 7은 아크 용융에 의해 제조되고 4.5 대 1의 붕소 대 금속 비율을 갖는 W1-xRexB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다. 1:4.5의 M:B 비율로 제조된 W1-xRexB4의 합금의 분말 XRD 패턴(15 - 80o 2θ). 텅스텐 사붕화물은 0 - 41.5 at.% Re의 Re 농도에서 형성된다. 텅스텐 이붕화물 WB2는 0 - 25.0 at.% Re의 Re 농도에서 존재하고; ReB2는 모든 농도의 Re에서 형성된다.
도 8은 아크 용융에 의해 제조되고 4.5 대 1의 붕소 대 금속 비율을 갖는 W1-xCrxB4의 X-선 분말 회절도를 나타낸다. 1:4.5의 M:B 비율로 제조된 W1-xCrxB4의 합금의 분말 XRD 패턴(15 - 80o 2θ). 텅스텐 사붕화물은 0 - 41.5 at.% Cr의 Cr 농도에서 형성된다. 텅스텐 이붕화물 WB2는 0 - 41.5 at.% Cr의 Re 농도에서 존재하고; CrB2는 25 - 50 at.% Cr의 모든 농도의 Cr에서 형성된다.
실시예 2. 열분석
각각 다음의 가열 프로파일로 열중량 분석을 수행하기 위하여 Pyris Diamond TGA/DTA 유닛(TG-DTA, Perkin-Elmer Instruments, U.S.A.)을 이용했다: 25℃로부터 200℃까지 공기에서 20℃/분의 속도로 가열하고, 200℃에서 30 분 동안 유지시켜 임의의 수분을 제거하고, 200℃로부터 1000℃까지 2 ℃/분의 속도로 가열하고, 1000℃에서 2 시간 동안 유지시키고 1000℃로부터 25 ℃까지 5 ℃/분의 속도로 냉각시킨다. 이후 생성된 상(들)을 확인하기 위해 XRD 분석을 수행했다.
도 9는 공기 중의 열중량 분석에 의해 측정된 1:11.6 및 1:9.0의 W:B 비율로 제조된 텅스텐 사붕화물 합금의 열 안정성을 나타낸다. 외삽 개시 방법을 사용하여 (W:B = 11.6인 WB4에 대해 ~450℃ 및 W:B = 1:9.0에 대해 ~465℃) 이들 데이터는 이들 합금 모두 ~455℃의 온도에서 안정함을 나타낸다.
실시예 3. 경도 결정
피라미드형 다이아몬드 압자(indenter) 팁을 구비한 로드-셀 유형 다중-비커스 경도 테스터(Leco, U.S.A.)를 사용하여 연마된 샘플에서 경도 측정을 수행했다. 각각의 적용된 하중: 0.49, 0.98, 1.96, 2.94 및 4.9 N 하에서, 샘플 표면 상의 무작위로 선택된 지점에서 10 개의 인덴트(indent)가 만들어졌다. 인덴트의 대각선의 길이는 500x 배율로 고해상도 광학 현미경, Zeiss Axiotech 100HD (Carl Zeiss Vision GmbH, Germany)을 사용하여 측정되었다. 다음 식을 사용하여 비커스 경도 값(H v , GPa)을 계산하고 하중 당 모든 10 개의 인덴트의 값을 평균했다:
Figure pct00005
여기서 d는 미크론으로 나타낸 각각의 인덴트의 대각선의 산술 평균 길이이고 F는 뉴턴(N)으로 나타낸 가해진 하중이다.
W1-xTaxB4, c-BN, 다이아몬드, WB4 및 Re4의 비커스 마이크로압입 경도의 측정이 표 4에 나타난다. 가변적인 붕소 대 금속 비율로 제조된 WB4의 비커스 마이크로압입 경도의 측정이 도 10에 나타난다. 9.0-11.6 대 1의 B:W 비율로 제조된 WB4의 경도는 0.49 N에서 약 40 GPa 이상의 경도를 갖는다.
Figure pct00006
실시예 4. 주사 전자 현미경 및 에너지 분산 X-선 분석 (SEM & EDS)
도 11은 4.5 내지 11.6의 가변적인 붕소 함량으로 아크 용융에 의해 제조된 WB4의 SEM 이미지를 나타낸다. 검은색 영역은 붕소에 해당하는 한편, 회색 영역은 금속 상(텅스텐 사붕화물 및 이붕화물)에 해당한다. 1:8.5 초과의 W:B를 갖는 샘플의 경우, 텅스텐 사붕화물 및 붕소만이 존재하고; 1:8.5 미만의 W:B를 갖는 샘플의 경우, WB2(연한 회색 영역)를 텅스텐 사붕화물 옆에서 볼 수 있다. 모든 이미지는 1000x의 배율에서 촬영되었고 이미지의 스케일 바는 100 μm이다.
도 12는 W:B = 1:4.5의 비율을 갖는 WB4의 합금의 표면의 SEM 이미지를 나타낸다. 검은색 영역은 붕소에 해당하는 한편, 회색 영역은 금속 상: 텅스텐 사붕화물(진한 회색) 및 WB2(연한 회색)에 해당한다. 이미지는 1000x (왼쪽), 2000x (중간) 및 5000x (오른쪽)의 비율에서 촬영되었고 이미지의 스케일 바는 각각 100, 50 및 20 μm이다. (아래) W:B = 1:4.5의 비율을 갖는 WB4의 샘플에 대한 SEM 이미지 및 EDS 맵 (붕소 K 라인 및 텅스텐 L 라인). 검은색 영역은 결정질 β-능방정계 붕소에 해당한다 (B 맵에 나타남). W 맵은 WB2에 해당하는 텅스텐 "농후" 영역 및 텅스텐 사붕화물에 해당하는 더 많은 텅스텐 "부족" 영역을 나타낸다. 이미지 및 맵은 2000x 배율에서 촬영되었고; 이미지의 스케일 바는 50 μm이다.
도 13은 W0.668Ta0.332B4.5 합금의 경우 붕소 (K 라인), 탄탈럼 (L 라인) 및 텅스텐 (L 라인)에 대한 EDS 원소 맵을 나타내고, 이는 금속-붕소 상에서 탄탈럼 및 텅스텐 두 가지 모두의 존재를 나타내며; 붕소 농후 영역은 β-능방정계 붕소이다.
실시예 5. 전기 아크로를 사용한 제조
전기 아크로(EAF, 플라스마 아크로로도 공지임): 전류 방전을 사용하여 재료를 용융시키기 위한 국부적인 과열 가스를 제공한다. 더 빠른 용융을 촉진하기 위해 전기 전도성 재료를 갖는 것이 유리하지만, 필수적인 것은 아니다. 전극은 일반적으로 흑연(탄소) 또는 텅스텐 금속으로 만들어진다. 반응 용기는 금속(예컨대 구리, 텅스텐 또는 몰리브덴)으로 만들어지고; 반응 용기 및 전극은 모두 수냉되어야 하며, 그렇지 않으면 용융 과정에서 소모될 것이다. EAF 합성에서, 반응 장입물이 완전히 용융된다. 이러한 용융은 화학량론이 M:B 1:4를 초과하는 한 사붕화물 상의 형성을 촉진시킨다. 반응 혼합물이 화학량론 미만인 경우, 이는 WB2 및 WB4의 혼합물을 생성할 것이다. EAF 노의 경우, 전도성 경로의 존재가 아크가 부딪히기 위한 전도성 지점을 필요하게 한다. 그와 같이, 도가니/가마는 h-BN와 같은 전기 절연 재료로 완전히 덮이지 않을 수 있다. 그러므로 전도성 난로(hearth)/가마(cauldron)의 일부가 노출될 필요가 있다. 일부 예에서 재료는 전도성 경로가 막히지 않는 한 h-bn 코팅 유무에 관계 없이 용융될 수 있다.
가변적인 붕소 함량(11.6, 10.5, 10.0, 9.5, 9.0, 8.5, 8.0, 7.0, 6.0 및 4.5 대 1 텅스텐의 붕소 비율)을 갖는 WB4의 합금 및 Ta, Nb, V, Mo, Re 및 Cr을 갖는 WB4의 합금이 텅스텐(99.95%, Strem Chemicals, U.S.A.), 무정형 붕소(99+%, Strem Chemicals, U.S.A.), 탄탈럼(99.9%, Materion, U.S.A.), 니오븀(99.8%, Strem Chemicals, U.S.A.), 바나듐(99.5%, Strem Chemicals, U.S.A.), 몰리브덴 (99.9%, Strem Chemicals, U.S.A.), 레늄(99.99%, Cerac Specialty Inorganics, now Materion), 크롬(99.9%, Research Organics/Inorganics Chemical Corp.)을 사용하여 제조되었다. 이러한 WB4의 합금에 대해 M:B 비율은 1:4.5로 유지되었다. 1-x W: x Ta:4.5 B, 1-x W: x Nb:4.5 B, 1-x W: x Mo:4.5 B , 1-x W: x Re:4.5 B 및 1-x W: x Cr:4.5 B의 샘플에 대해, x = 0.083, 0.166, 0.250, 0.332, 0.415 및 0.500. 1-y W: y V:4.5 B에 대해, y = 0.166, 0.332, 0.500, 0.668 및 0.854.
원하는 비율의 금속 분말 및 붕소를 계산하고, 칭량하고, 마노 절구에서 막자로 혼합하여 균질성을 확보했다. 분말의 혼합물은 유압 프레스(Carver)를 사용하여 10-톤 하중 하에서 펠렛으로 압축되었다. 이후 이러한 냉간-프레싱된 펠렛을 수냉 구리 난로 위의 아크-용융기 챔버에 넣고 t = 1 - 2 분 동안 I = 70 amp의 전류를 사용하여 아르곤 분위기에서 아크-용융시켰다.
아크로에 의한 WB 4 의 제조
반응 혼합물(1 대 8.0의 W 대 B 비율)을 수냉된 탄소 (또는 구리) 난로를 갖는 반응 용기에 넣었다. 난로의 일부를 h-BN으로 코팅하여 탄소와 혼합물 탄소 난로 사이의 상호작용을 방지한다. 전기 투과율을 위한 전도성 경로를 제공하기 위해 부분적인 커버리지만이 유지되었다. 구리 난로를 사용할 경우 h-BN 코팅이 필요하지 않다. 반응 용기는 자체-억제되었다. 반응 용기를 진공 하에 흡인시키고 대략 10 분 동안 유지시켜 대기로부터 산소의 제거를 용이하게 했고, 이후 고순도 아르곤으로 주위 압력까지 역충전했다. 가열 동안, 반응은 아르곤으로 동적으로 퍼지되었지만, 예를 들어 헬륨과 같은 다른 차폐 가스의 동적 흐름이 사용될 수도 있다. 정적 대기가 또한 허용 가능한 결과를 산출했다. 전극과 난로 판 사이에 전기 아크가 확립되었다. 암페어수/전력이 증가함에 따라, 반응 혼합물은 용융 및 고화되기 시작했다. 혼합물의 용융 후, 전기 아크를 종료하고 복합물을 냉각시켰다. 복합물 결정립 크기는 밀리미터 단위였지만, 냉각 속도를 증가시키거나 반응 질량을 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 0.5 g의 반응 질량이 서브-마이크론 결정질 복합물을 산출한다.
실시예 6. 유도로를 사용한 제조
유도로는 조정 가능한(tunable) 무선-주파수(RF) 유도를 사용하여 도가니 또는 원료를 국부적으로 가열한다. 붕소는 전기 절연체이므로, 대부분의 상황에서 RF에 민감하지 않다. 텅스텐은 RF 민감성이고, 일부 경우에, 붕소와의 반응을 시작하기 위해 원료에서 더 큰 입자 크기가 사용된다. 산업적 규모에서, 반응 용기는 수냉되고, 흑연 라이닝된다. RF 시스템은 일반적으로 탄소를 가열하도록 조정되며, 이는 물리적 접촉을 통해 용융을 위한 재료를 가열한다. 반응 장입물이 95% 이상 100% 이하로 용융되지 않으면, 고상 반응만이 일어날 것이다. 반응 장입물과 흑연 도가니 벽의 직접 접촉을 방지하는 것이 필요하다. 육방정계 질화 붕소(h-BN)는 탄소 도가니 벽으로부터 반응 장입물을 물리적으로 절연시키기 위해 사용되는 예시적인 재료이다. 이러한 재료는 열 전도성이지만 전기 절연성이며; RF 코일의 효능에 영향을 미치지 않을 것이다. 유도 가열은 무선-주파수에 민감한 재료를 필요로 하고; 전통적으로 탄소가 도가니로서 사용되므로 라이너가 필요하다.
유도로에 의한 WB 4 의 합성
반응 혼합물(1 대 8.0의 W 대 B 비율)을 h-BN의 층/코팅으로 물리적으로 절연된 탄소 도가니에 넣거나 내부 h-BN 도가니를 갖는 탄소 도가니에 넣었다. 반응 혼합물이 반응 혼합물 중의 오염물과 같은 탄소에 직접, 또는 반응기 벽과의 접촉을 통해 노출될 경우, WB2의 합성이 촉진될 것이다. 존재하는 탄소는 텅스텐에 약간 용해성이고, 이에 의해 붕소와 경쟁하며, 준안전성 사붕화물 상보다는 이붕화물 상을 촉매화한다.
반응 용기를 진공 하에 흡인시키고 대략 10 분 동안 유지시켜 대기로부터 산소의 제거를 용이하게 했다. 반응 용기를 고순도 아르곤으로 주위 압력까지 역충전하고 가열을 시작했다. 대기는 정적이었다. 가열의 온도변화율(ramp rate)은 1700℃의 온도까지 분당 20℃를 목표로 했다. 이 온도를 180 분 동안 유지시켰다. 유지 후, 전원을 차단하고 반응 용기를 냉각시켰다. 반응 생성물은 최소 내지 검출 불가능한 수준의 WB2 존재를 갖는 WB4였다. 생성물은 WB4의 미크론-크기 결정립(≤50μm)을 산출했다.
실시예 7. 스파크 플라스마 소결을 이용하는 열간 프레스 준비
열간 프레싱은 소결을 유도하기에 충분히 높은 온도에서 분말 압분체를 형성하기 위한 고압, 저변형률 공정이다. 임의의 반응성 재료로부터 반응 혼합물을 분리하기 위해 h-BN 라이닝된 몰드가 사용된다. 스파크 플라스마 소결이 고압에서 전기 전도성 및 열 가열을 허용하기 위해 이용될 때 흑연 몰드가 사용된다. 반응 혼합물은 반응 동안 흑연 라이닝으로부터 절연되어 반응 혼합물을 절연시키지 않은 동등한 반응에 비해 부산물 형성이 최소화되거나 감소된다. 스파크 플라스마 소결은 압착된 반응 혼합물을 소결시키기 위하여 유도된 펄스 DC 전류를 이용한다.
열간 프레싱에 의한 WB 4 의 합성
반응 혼합물(1 대 8.0의 W 대 B 비율)을 비-탄소 용기에 로딩한 다음 이를 흑연을 포함하는 반응 용기에 삽입하여, 열 및 전기 전도 경로를 제공했다. 반응 혼합물과 탄소의 즉각적인 접촉을 피하는 것이 필수적이었다. 반응 용기는 진공 및/또는 불활성 기체 분위기가 존재하는 억제된 환경이다. 반응 용기를 진공 하에 흡인시키고 대략 10 분 동안 유지시켜 대기로부터 산소의 제거를 용이하게 했다. 반응 용기를 고순도 아르곤으로 주위 압력까지 역충전하고 가열을 시작했다. 합성은 또한 진공 하에서 수행될 수 있다. 최소 0.5 MPa 최대 50 MPa 이상 범위의 기계 또는 유압 압력을 합성 과정 전체에 걸쳐 적용하고 유지시켰다. 가열의 온도변화율은 1400℃의 온도까지 분당 50℃를 목표로 했다. 이 온도를 60 분 동안 유지시켰다. 온도 유지 후, 전원을 차단하고 반응 용기를 주위 온도로 냉각시켰다. 반응 생성물은 최소 내지 검출 불가능한 수준의 WB2 존재를 갖는 WB4였다.
실시예 8. 통상적인 노를 사용한 제조
통상적인 노는 금속 코일을 사용하여 도가니를 국부적으로 가열하고 원료를 용융시킨다. 산업적 규모에서, 반응 용기는 수냉되고, 흑연 라이닝된다. 반응 장입물이 95% 이상 100% 이하로 용융되지 않으면, 고상 반응만이 일어날 것이다. 반응 장입물과 흑연 도가니 벽의 직접 접촉을 방지하는 것이 필요하다. 육방정계 질화 붕소(h-BN), 몰리브덴, 또는 텅스텐 라이너는 탄소 도가니 벽으로부터 반응 장입물을 물리적으로 절연시키기 위해 사용되는 예시적인 재료이다.
통상적인 노에 의한 WB 4 의 합성
반응 혼합물(1 대 8.0의 W 대 B 비율)을 0.25 mm의 두께를 갖는 물리적으로 절연하는 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀, 또는 탄탈럼 라이너가 구비된 탄소 도가니에 넣었다. 반응 용기를 진공 하에 흡인시키고 대략 10 분 동안 유지시켜 대기로부터 산소의 제거를 용이하게 했다. 반응 용기를 고순도 아르곤으로 주위 압력까지 역충전하고 가열을 시작했다. 대기는 정적이었다. 가열의 온도변화율은 1700℃의 온도까지 분당 20℃를 목표로 했다. 이 온도를 180 분 동안 유지시켰다. 유지 후, 반응 용기를 냉각시켰다. 반응 생성물은 최소 내지 검출 불가능한 수준의 WB2 존재를 갖는 WB4였다. 생성물은 WB4의 미크론-크기 결정립(≤50μm)을 산출했다.
실험
가변적인 붕소 함량을 갖는 WB4의 합금 및 Ta, Nb, V, Mo, Re 및 Cr을 갖는 WB4의 합금이 텅스텐 (99.95%, Strem Chemicals, U.S.A.), 무정형 붕소 (99+%, Strem Chemicals, U.S.A.), 탄탈럼 (99.9%, Materion, U.S.A.), 니오븀 (99.8%, Strem Chemicals, U.S.A.), 바나듐 (99.5%, Strem Chemicals, U.S.A.), 몰리브덴 (99.9%, Strem Chemicals, U.S.A.), 레늄 (99.99%, Cerac Specialty Inorganics, now Materion), 크롬 (99.9%, Research Organics/Inorganics Chemical Corp.)을 사용하여 제조되었다.
원하는 비율의 금속 분말 및 붕소를 계산하고, 칭량하고, 마노 절구에서 막자로 혼합하여 균질성을 확보했다. 분말의 혼합물은 유압 프레스(Carver)를 사용하여 10-톤 하중 하에서 펠렛으로 압축되었다. 이후 이러한 냉간-프레싱된 펠렛을 수냉 구리 난로 위의 아크-용융기 챔버에 넣고 t = 1 - 2 분 동안 I = 70 amp의 전류를 사용하여 아르곤 분위기에서 아크-용융시켰다.
제조된 샘플을 다이아몬드 톱(Ameritool Inc., U.S.A.)을 사용하여 이등분으로 절단했다. 절반은 분말 X-선 회절 분석 (PXRD) 분석에 사용되고 플래트너-스타일(Plattner-style) 분쇄기를 사용하여 분말(< 40 μm)로 분쇄했다. 나머지 절반은 주사 전자 현미경(SEM) / 에너지 분산 분광법(EDS) 및 비커스 경도 시험에 사용되었고 에폭시/경화제 세트(Allied High Tech Products Inc., U.S.A.)를 사용하여 에폭시로 캡슐화되었다.
광학적으로 평평한 표면을 달성하기 위해, 샘플을 반자동 연마 스테이션(South Bay Technology Inc., U.S.A.)에서 SiC 용지(120 - 1200 그릿 크기, Allied High Tech Products Inc., U.S.A.) 및 다이아몬드 필름(30 내지 1 미크론 입자 크기, South Bay Technology Inc., U.S.A.)을 사용하여 연마했다.
비록 본 개시의 바람직한 구체예가 본원에 나타나고 설명되었지만, 그러한 구체예가 단지 예로서 제공되는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 개시에서 벗어나지 않고 많은 변경, 변화 및 대체가 이제 당업자에게 일어날 것이다. 본원에 기재된 개시의 구체예에 대한 다양한 대안이 본 개시의 실시에서 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 다음의 청구 범위는 본 개시의 범위를 정의하고 이들 청구 범위의 범위 내의 방법 및 구조 및 그 균등물이 이에 의해 포함되도록 의도된다.
번호가 매겨진 구체예
하기 구체예는 본원에 개시된 특징의 조합의 비제한적 치환을 언급한다. 특징의 조합의 다른 치환 또한 고려된다. 특히, 이들 번호가 매겨진 구체예 각각은 나열된 순서와 무관하게 모든 이전 또는 후속의 번호가 매겨진 구체예에 의존하거나 이와 관련된 것으로 고려된다. 1. 다음 단계를 포함하는 복합 매트릭스 제조 방법: 충분한 양의 W를 상당한 양의 B 및 임의로 M과 조합하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계, 여기서 B 대 W 및 M의 비율은 12 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이고; 복합 매트릭스는 다음을 포함함: W1-xMxB4 여기서: W는 텅스텐이고; B는 붕소이고; M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고; x은 0 내지 0.999이다. 2. 구체예 1에 있어서, 조합은 i) W, B, 및 임의로 M을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, ii) 혼합물을 반응 용기로 옮기는 단계, 및 iii) W, B, 및 임의로 M 사이의 반응을 유도하기에 충분한 온도로 혼합물을 가열하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계를 포함하는 방법. 3. 구체예 2에 있어서, 반응은 고상 반응인 방법. 4. 구체예 2에 있어서, 적어도 하나의 반응 성분이 부분적으로 용융되는 방법. 5. 구체예 2에 있어서, 적어도 하나의 반응 성분이 완전히 용융되는 방법. 6. 구체예 2에 있어서, 반응 용기는 혼합물을 반응 용기로 옮긴 후 혼합물을 가열하기 전에 불활성 분위기 하에서 추가로 처리되는 방법. 7. 구체예 6에 있어서, 산소가 반응 용기로부터 제거되어 불활성 분위기를 생성하는 방법. 8. 구체예 6-7 중 어느 하나에 있어서, 진공이 반응 용기에 적용되어 불활성 분위기를 생성하는 방법. 9. 구체예 8에 있어서, 진공은 반응 용기로부터 적어도 99%의 산소를 제거하기에 충분한 시간 동안 적용되는 방법. 10. 구체예 8 또는 9에 있어서, 진공은 적어도 10 분, 20 분, 30 분, 이상 동안 적용되는 방법. 11. 구체예 2-10 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 불활성 기체로 퍼지되어 불활성 분위기를 생성하는 방법. 12. 구체예 11에 있어서, 불활성 기체는 아르곤, 질소 또는 헬륨을 포함하는 방법. 13. 구체예 2-12 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 반응 용기로부터 산소를 제거하기 위한 진공 적용 및 불활성 기체를 사용한 반응 용기 플러싱의 적어도 하나의 사이클을 거치는 방법. 14. 구체예 2-13 중 어느 하나에 있어서, 혼합물은 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열되는 방법. 15. 구체예 14에 있어서, 혼합물은 약 1400℃, 1500℃, 1600℃, 1700℃, 1800℃, 2000℃, 2100℃, 또는 약 2200℃의 온도로 가열되는 방법. 16. 구체예 2-15 중 어느 하나에 있어서, 혼합물은 약 15 분, 90 분, 120 분, 180 분, 240 분, 360 분 이상 동안 가열되는 방법. 17. 구체예 2-16 중 어느 하나에 있어서, 혼합물은 전기 아크로에 의해 가열되는 방법. 18. 구체예 17에 있어서, 전기 아크로의 반응 용기는 혼합물을 반응 용기로 옮긴 후 혼합물을 가열하기 전에 불활성 분위기를 거치는 방법. 19. 구체예 17 또는 18에 있어서, 불활성 분위기는 진공을 반응 용기에 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나 또는 이들의 조합에 의해 발생되는 방법. 20. 구체예 17-19 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 임의로 전기 절연 재료로 코팅되는 방법. 21. 구체예 20에 있어서, 반응 용기의 표면의 최대 약 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 이하가 전기 절연 재료로 임의로 코팅되는 방법. 22. 구체예 20 또는 21에 있어서, 절연 재료는 육방정계 질화 붕소(h-BN)를 포함하는 방법. 23. 구체예 17-22 중 어느 하나에 있어서, 혼합물은 액체 용액이 형성될 때까지 가열되는 방법. 24. 구체예 2-16 중 어느 하나에 있어서, 혼합물은 유도로에 의해 가열되는 방법. 25. 구체예 24에 있어서, 유도로는 전자기 유도에 의해 가열되는 방법. 26. 구체예 25에 있어서, 전자기 유도에 사용되는 전자기 복사는 라디오파의 주파수 및 파장을 갖는 방법. 27. 구체예 2-16 중 어느 하나에 있어서, 혼합물은 열간 프레싱에 의해 가열되는 방법. 28. 구체예 2-16 중 어느 하나에 있어서, 혼합물은 플라스마 스파크 소결에 의해 가열되는 방법. 29. 구체예 25-28 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 혼합물을 반응 용기로 옮긴 후 혼합물을 가열하기 전에 불활성 분위기를 거치는 방법. 30. 구체예 25-29 중 어느 하나에 있어서, 불활성 분위기는 진공을 반응 용기에 적용하거나 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하는 것과 조합으로 반응 용기로부터 산소를 제거하여 발생되는 방법. 31. 구체예 30에 있어서, 불활성 기체는 고순도 아르곤인 방법. 32. 구체예 1-31 중 어느 하나에 있어서, M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소인 방법. 33. 구체예 1-31 중 어느 하나에 있어서, x는 0인 방법. 34. 구체예 33에 있어서, B 대 W의 비율은 약 11.9 내지 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W인 방법. 35. 구체예 34에 있어서, B 대 W의 비율은 약 11.6, 약 11, 약 10.5, 약 10, 약 9.5, 또는 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W인 방법. 36. 구체예 1-32 중 어느 하나에 있어서, x는 0.001 내지 0.999인 방법. 37. 구체예 36에 있어서, x는 0.201-0.400인 방법. 38. 구체예 36에 있어서, x는 0.401-0.600인 방법. 39. 구체예 36에 있어서, x는 0.601-0.800인 방법. 40. 구체예 36에 있어서, x는 0.801-0.999인 방법. 41. 구체예 37-40 중 어느 하나에 있어서, B 대 W 및 M의 비율은 5 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M인 방법. 42. 구체예 41에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4를 포함하는 방법. 43. 구체예 41에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4를 포함하는 방법. 44. 구체예 41에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4를 포함하는 방법. 45. 구체예 41에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4를 포함하는 방법. 46. 구체예 41에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4를 포함하는 방법. 47. 구체예 41에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4를 포함하는 방법. 48. 구체예 35에 있어서, 복합 매트릭스는 WB4를 포함하는 방법. 49. 구체예 48에 있어서, 복합 매트릭스는 1:11.6의 W 대 B 비율로 형성되는 방법. 50. 구체예 49에 있어서, 복합 매트릭스는 450℃ 미만에서 산화 내성을 갖는 방법. 51. 구체예 48에 있어서, 복합 매트릭스는 1:10.5의 W 대 B 비율로 형성되는 방법. 52. 구체예 48에 있어서, 복합 매트릭스는 1:9.0의 W 대 B 비율로 형성되는 방법. 53. 구체예 52에 있어서, 복합 매트릭스는 465 ℃ 미만에서 산화 내성을 갖는 방법. 54. 구체예 1-53 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 4.0 g/cm3 이상의 밀도를 갖는 방법. 55. 구체예 1-54 중 어느 하나에 있어서, 금속 부산물을 추가로 생성하는 방법. 56. 구체예 55에 있어서, 금속 부산물은 텅스텐 이붕화물 또는 텅스텐 일붕화물인 방법. 57. 구체예 55에 있어서, 금속 부산물은 복합 매트릭스의 백분율에 대해 10%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.05%, 또는 0.01% 미만인 방법. 58. 열역학적으로 안정한 텅스텐 사붕화물 복합 매트릭스를 제조하는 방법, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다: f) 압축 챔버에 붕소 (B) 및 텅스텐 (W)의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐의 비율은 4 내지 11.9 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐인, 단계; g) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계; h) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계; i) 반응 용기에 진공을 가하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및 j) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 열역학적으로 안정한 WB4 복합 매트릭스를 생성하는 단계. 59. 구체예 58에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 전기 아크로에 의해 가열되는 방법. 60. 구체예 59에 있어서, 아크로 전극은 흑연 또는 텅스텐 금속을 포함하는 방법. 61. 구체예 60에 있어서, 반응 용기는 임의로 전기 절연 재료로 코팅되는 방법. 62. 구체예 61에 있어서, 반응 용기의 표면의 최대 약 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 이하가 전기 절연 재료로 임의로 코팅되는 방법. 63. 구체예 61 또는 62에 있어서, 절연 재료는 육방정계 질화 붕소(h-BN)를 포함하는 방법. 64. 구체예 61 또는 62에 있어서, 절연 재료는 탄소를 함유하지 않는 방법. 65. 구체예 59-64 중 어느 하나에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 아크로 전극으로부터 차폐되는 방법. 66. 구체예 59-65 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 1000 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 67. 구체예 59-65 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 100 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 68. 구체예 59-65 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 50 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 69. 구체예 59-65 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 10 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 70. 구체예 59-65 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 1 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 71. 구체예 58에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 유도로에 의해 가열되는 방법. 72. 구체예 71에 있어서, 유도로는 전자기 유도에 의해 가열되는 방법. 73. 구체예 72에 있어서, 전자기 유도에 사용되는 전자기 복사는 라디오파의 주파수를 갖는 방법. 74. 구체예 58에 있어서, 혼합물은 열간 프레싱에 의해 가열되는 방법. 75. 구체예 58에 있어서, 혼합물은 플라스마 스파크 소결에 의해 가열되는 방법. 76. 구체예 71-75 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 수냉되는 방법. 77. 구체예 71-75 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 흑연 라이닝되는 방법. 78. 구체예 77에 있어서, 흑연은 반응 용기 내에서 가열되는 방법. 79. 구체예 78에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 흑연 라이닝된 반응 용기로부터 차폐되는 방법. 80. 구체예 71-79 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 500 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성되는 방법. 81. 구체예 71-79 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 200 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성되는 방법. 82. 구체예 71-79 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 50 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성되는 방법. 83. 구체예 58-82 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스의 밀도는 약 5.0 g/cm3 내지 약 7.0 g/cm3인 방법. 84. 구체예 83에 있어서, 복합 매트릭스의 밀도는 약 5.1 g/cm3 내지 약 6.2 g/cm3인 방법. 85. 구체예 58-84 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 1:11.6의 W 대 B 비율로 형성되는 방법. 86. 구체예 85에 있어서, 복합 매트릭스는 450℃ 미만에서 산화 내성을 갖는 방법. 87. 구체예 58-84 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 1:10.5의 W 대 B 비율로 형성되는 방법. 88. 구체예 58-84 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 1:9.0의 W 대 B 비율로 형성되는 방법. 89. 구체예 88에 있어서, 복합 매트릭스는 465℃ 미만에서 산화 내성을 갖는 방법. 90. 구체예 58-89 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 4.0 g/cm3 이상의 밀도를 갖는 방법. 91. 화학식 (II)의 복합 매트릭스를 제조하는 방법: W1-xMxB4 (II) 여기서: W는 텅스텐이고; B는 붕소이고; M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고; x는 0.001 내지 0.999이고; 여기서 상기 방법은 다음 단계를 포함한다: f) 압축 챔버에 붕소, 텅스텐 및 M의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐 및 M의 비율은 3.5 내지 5.0 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐 및 M인, 단계; g) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계; h) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계; i) 진공을 반응 용기에 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및 j) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 화학식 (II)의 복합 매트릭스를 생성하는 단계. 92. 구체예 91에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 전기 아크로에 의해 가열되는 방법. 93. 구체예 92에 있어서, 아크로 전극은 흑연 또는 텅스텐 금속으로 제조되는 방법. 94. 구체예 92-93 중 어느 하나에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 아크로 전극으로부터 부분적으로 차폐되는 방법. 95. 구체예 92-93 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 100 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 96. 구체예 92-93 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 50 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 97. 구체예 92-93 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 10 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 98. 구체예 92-93 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 1 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성되는 방법. 99. 구체예 91에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 유도로에 의해 가열되는 방법. 100. 구체예 99에 있어서, 유도로는 전자기 유도에 의해 가열되는 방법. 101. 구체예 100에 있어서, 전자기 유도에 사용되는 전자기 복사는 라디오파의 주파수를 갖는 방법. 102. 구체예 91에 있어서, 혼합물은 열간 프레싱에 의해 가열되는 방법. 103. 구체예 91에 있어서, 혼합물은 플라스마 스파크 소결에 의해 가열되는 방법. 104. 구체예 99-103 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 수냉되는 방법. 105. 구체예 99-104 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 흑연 라이닝되는 방법. 106. 구체예 105에 있어서, 무선주파수 유도는 탄소로 조정되고, 흑연은 반응 용기 내에서 가열되는 방법. 107. 구체예 99-106 중 어느 하나에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 흑연 라이닝된 반응 용기로부터 차폐되는 방법. 108. 구체예 99-107 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 100 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 109. 구체예 99-107 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 50 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 110. 구체예 99-107 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 10 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 111. 구체예 91-110 중 어느 하나에 있어서, x는 0.001-0.200인 방법. 112. 구체예 91-110 중 어느 하나에 있어서, x는 0.201-0.400인 방법. 113. 구체예 91-110 중 어느 하나에 있어서, x는 0.401-0.600인 방법. 114. 구체예 91-110 중 어느 하나에 있어서, x는 0.601-0.800인 방법. 115. 구체예 91-110 중 어느 하나에 있어서, x는 0.801-0.999인 방법. 116. 구체예 91-110 중 어느 하나에 있어서, M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소인 방법. 117. 구체예 116에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4를 포함하는 방법. 118. 구체예 116에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4를 포함하는 방법. 119. 구체예 116에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4를 포함하는 방법. 120. 구체예 116에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4를 포함하는 방법. 121. 구체예 116에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4를 포함하는 방법. 122. 구체예 116에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4를 포함하는 방법. 123. 화학식 (III)의 복합 매트릭스를 포함하는 복합 재료 제조 방법: W1-xMxB4 (III) 여기서 복합 재료에 대한 화학식 (III)의 복합 매트릭스 및 붕소의 백분율은 적어도 95%이고, 여기서, W는 텅스텐이고; B는 붕소이고; M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고; x는 0 내지 0.999이고; 여기서 상기 방법은 다음 단계를 포함한다: h) 압축 챔버에 붕소, 텅스텐 및 임의로 M의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐 및 임의로 M의 비율은 12.0 당량 미만의 붕소 대 1 당량의 텅스텐 및 임의로 M인, 단계; i) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계; j) 반응 용기의 내부를 전기 절연체로 부분적으로 라이닝하여 절연된 반응 용기를 생성하는 단계; k) 압축된 원료 혼합물을 절연된 반응 용기에 첨가하는 단계; l) 절연된 반응 용기에 진공을 가하거나, 절연된 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; m) 압축된 원료 혼합물의 적어도 95% 이상이 용융될 때까지 압축된 원료 혼합물을 아크 용융하는 단계; 및 n) 절연된 반응 용기를 냉각시켜, 화학식 (III)의 복합 매트릭스를 포함하는 복합 재료를 생성하는 단계. 124. 구체예 123에 있어서, 복합 재료는 금속 부산물을 추가로 포함하고, 여기서 임의로 상기 금속 부산물은 복합 매트릭스의 백분율에 대해 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.05%, 또는 0.01% 미만인 방법. 125. 구체예 123 또는 124에 있어서, 금속 부산물은 텅스텐 이붕화물 또는 텅스텐 일붕화물인 방법. 126. 구체예 123-125 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기의 표면의 최대 약 95%, 90%, 85%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 이하가 전기 절연 재료로 코팅되는 방법. 127. 구체예 123-126 중 어느 하나에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 육방정계 질화 붕소를 임의로 포함하는 전기 절연 재료에 의해 아크로 전극으로부터 부분적으로 차폐되는 방법. 128. 구체예 123-127 중 어느 하나에 있어서, 절연 재료는 육방정계 질화 붕소(h-BN)를 포함하는 방법. 129. 구체예 123-128 중 어느 하나에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 전기 아크로 또는 플라스마 아크로에 의해 용융되는 방법. 130. 구체예 129에 있어서, 아크로 전극은 흑연 또는 텅스텐 금속으로 제조되는 방법. 131. 구체예 123-130 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 수냉되는 방법. 132. 구체예 123-131 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기의 냉각 속도가 제어되는 방법. 133. 구체예 123-130 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기를 주위 온도로 냉각시키는 방법. 134. 구체예 123-133 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 100 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 135. 구체예 123-133 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 123-133 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 136. 구체예 123-133 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 10 마이크로미터 미만인 입자 또는 결정립으로 구성되는 방법. 137. 구체예 123-133 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 크기가 1 마이크로미터 미만인 결정립으로 구성되는 방법. 138. 구체예 123-137 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 불활성 기체로 퍼지되어 불활성 분위기를 생성하는 방법. 139. 구체예 138에 있어서, 불활성 기체는 아르곤, 질소 또는 헬륨을 포함하는 방법. 140. 구체예 123-137 중 어느 하나에 있어서, 반응 용기는 반응 용기로부터 산소를 제거하기 위한 진공 적용 및 불활성 기체를 사용한 반응 용기 플러싱의 적어도 하나의 사이클을 거치는 방법. 141. 구체예 123-140 중 어느 하나에 있어서, x는 0인 방법. 142. 구체예 141에 있어서, 복합 매트릭스는 WB4를 포함하는 방법. 143. 구체예 141 또는 142에 있어서, B 대 W의 비율은 약 11.9 내지 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W인 방법. 144. 구체예 143에 있어서, B 대 W의 비율은 약 11.6, 약 11, 약 10.5, 약 10, 약 9.5, 또는 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W인 방법. 145. 구체예 144에 있어서, 복합 매트릭스는 1:11.6의 W 대 B 비율로 형성되는 방법. 146. 구체예 145에 있어서, 복합 매트릭스는 450℃ 미만에서 산화 내성을 갖는 방법. 147. 구체예 144에 있어서, 복합 매트릭스는 1:10.5의 W 대 B 비율로 형성되는 방법. 148. 구체예 144에 있어서, 복합 매트릭스는 1:9.0의 W 대 B 비율로 형성되는 방법. 149. 구체예 148에 있어서, 복합 매트릭스는 465℃ 미만에서 산화 내성을 갖는 방법. 150. 구체예 123-149 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 4.0 g/cm3 이상의 밀도를 갖는 방법. 151. 구체예 123-140 중 어느 하나에 있어서, x는 0.001 내지 0.999인 방법. 152. 구체예 151에 있어서, x는 0.201-0.400인 방법. 153. 구체예 151에 있어서, x는 0.401-0.600인 방법. 154. 구체예 151에 있어서, x는 0.601-0.800인 방법. 155. 구체예 151에 있어서, x는 0.801-0.999인 방법. 156. 구체예 151-155 중 어느 하나에 있어서, B 대 W 및 M의 비율은 5 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M인 방법. 157. 구체예 151-156 중 어느 하나에 있어서, M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소인 방법. 158. 구체예 157에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4를 포함하는 방법. 159. 구체예 157에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4를 포함하는 방법. 160. 구체예 157에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4를 포함하는 방법. 161. 구체예 157에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4를 포함하는 방법. 162. 구체예 157에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4를 포함하는 방법. 163. 구체예 157에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4를 포함하는 방법. 164. 화학식 (I)의 화합물을 포함하는 복합 매트릭스: W1-xMxB4 (I) 여기서: W는 텅스텐이고; B는 붕소이고; M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고; x는 0.001 내지 0.999이다. 165. 구체예 144에 있어서, x는 0.001-0.200인 복합 매트릭스. 166. 구체예 144에 있어서, x는 0.201-0.400인 복합 매트릭스. 167. 구체예 144에 있어서, x는 0.401-0.600인 복합 매트릭스. 168. 구체예 144에 있어서, x는 0.601-0.800인 복합 매트릭스. 169. 구체예 144에 있어서, x는 0.801-0.999인 복합 매트릭스. 170. 구체예 144-149 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xVxB4인 복합 매트릭스. 171. 구체예 144-149 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xCrxB4인 복합 매트릭스. 172. 구체예 144-149 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xNbxB4인 복합 매트릭스. 173. 구체예 144-149 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xMoxB4인 복합 매트릭스. 174. 구체예 144-149 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xTaxB4인 복합 매트릭스. 175. 구체예 144-149 중 어느 하나에 있어서, 복합 매트릭스는 W1-xRexB4인 복합 매트릭스. 176. 구체예 1-56, 57-89, 90-121, 또는 122-162의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스. 177. 구체예 1-56, 57-89, 90-121, 또는 122-162의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스를 포함하는 공구.

Claims (20)

  1. 다음 단계를 포함하는 복합 매트릭스 제조 방법:
    상당한 양의 W를 상당한 양의 B 및 임의로 M과 조합하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계, 여기서 B 대 W 및 M의 비율은 12 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M이고;
    복합 매트릭스는 다음을 포함한다:
    W1-xMxB4
    여기서:
    W는 텅스텐이고;
    B는 붕소이고;
    M은 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 루테늄 (Ru), 하프늄 (Hf), 탄탈럼 (Ta), 레늄 (Re), 이트륨 (Y), 오스뮴 (Os), 이리듐 (Ir), 리튬 (Li) 및 알루미늄 (Al)의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소이고;
    x는 0 내지 0.999이다.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은 i) W, B, 및 임의로 M을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, ii) 혼합물을 반응 용기로 옮기는 단계, 및 iii) W, B, 및 임의로 M 사이의 반응을 유도하기에 충분한 온도로 혼합물을 가열하여 복합 매트릭스를 생성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 대기 산소의 적어도 10%가 반응 용기로부터 제거되는 방법.
  4. 청구항 2에 있어서, 혼합물은 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열되는 방법.
  5. 청구항 2에 있어서, 혼합물은 약 15 분, 90 분, 120 분, 180 분, 240 분, 360 분 이상 동안 가열되는 방법.
  6. 청구항 2에 있어서, 혼합물은 유도로 또는 통상적인 노에 의해 가열되는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, M은 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 탄탈럼 (Ta), 및 레늄 (Re) 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소인 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, x는 0인 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, B 대 W의 비율은 약 11.9 내지 약 9 당량의 B 대 1 당량의 W인 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, x는 0.001 내지 0.999인 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, B 대 W 및 M의 비율은 5 당량 미만의 B 대 1 당량의 W 및 M인 방법.
  12. 청구항 2에 있어서, 반응 용기 및 혼합물은 금속 라이너에 의해 분리되는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 복합 매트릭스는 약 24.2의 2 세타에서 적어도 하나의 X-선 회절 패턴 반사를 특징으로 하는 결정질 고체인 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 결정질 고체는 약 34.5 또는 약 45.1의 2 세타에서 적어도 하나의 X-선 회절 패턴 반사를 추가로 특징으로 하는 방법.
  15. 다음 단계를 포함하는, 열역학적으로 안정한 텅스텐 사붕화물 복합 매트릭스를 제조하는 방법:
    a) 압축 챔버에 붕소 (B) 및 텅스텐 (W)의 혼합물을 첨가하는 단계로서, 여기서 붕소 대 텅스텐의 비율은 4 내지 11.9 당량의 붕소 대 1 당량의 텅스텐인, 단계;
    b) 혼합물을 압축하여 압축된 원료 혼합물을 생성하는 단계;
    c) 압축된 원료 혼합물을 반응 용기에 첨가하는 단계;
    d) 반응 용기에 진공을 적용하거나, 반응 용기를 불활성 기체로 플러싱하거나, 또는 이들의 조합에 의해 반응 용기 내에 불활성 분위기를 발생시키는 단계; 및
    e) 반응 용기를 약 1200℃ 내지 약 2200℃의 온도로 가열하여 열역학적으로 안정한 WB4 복합 매트릭스를 생성하는 단계.
  16. 청구항 15에 있어서, 압축된 원료 혼합물은 유도로 또는 통상적인 노에 의해 가열되는 방법.
  17. 청구항 15에 있어서, 반응 용기 및 압축된 원료 혼합물은 금속 라이너에 의해 분리되는 방법.
  18. 청구항 15에 있어서, 복합 매트릭스는 약 24.2의 2 세타에서 적어도 하나의 X-선 회절 패턴 반사를 특징으로 하는 결정질 고체인 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 결정질 고체는 약 34.5 또는 약 45.1의 2 세타에서 적어도 하나의 X-선 회절 패턴 반사를 추가로 특징으로 하는 방법.
  20. 청구항 1의 방법에 의해 제조된 복합 매트릭스를 포함하는 공구.
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