New class of carbides could be toughest yet — ABC Chemicals


Исследователи из США разработали новый класс сложных карбидов металлов с высокой энтропией, в состав которых входят пять различных металлов, которые показали, что новые материалы могут быть значительно более твердыми и более теплостойкими, чем простые карбиды.

Карбиды металлов, такие как карбид вольфрама или титана, ценятся за их ударную вязкость и высокие температуры плавления и широко используются в инструментах для горнодобывающей промышленности и теплозащитных покрытиях. Но большинство карбидов, используемых сегодня, состоят только из одного катиона металла в сочетании с углеродом. «Эти« бинарные »карбиды очень полезны из-за чрезвычайно прочных связей между металлом и атомами углерода», — объясняет инженер по материалам Кеннет Веккио из Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Однако есть компромисс: связь, которая делает такие материалы, как карбид вольфрама, очень твердыми и жесткими, а также делает их очень хрупкими. Есть несколько материалов, таких как карбид тантала, которые более мягкие и менее жесткие, но при этом более пластичные ». Теоретически, этот компромисс может быть преодолен путем объединения различных карбидов в один материал с несколькими различными ионами металлов.

New class of carbides could be toughest yet - ABC Chemicals

Это не тривиальная задача, как бы то ни было. Исследователи рассмотрели все возможные карбиды, содержащие пять из восьми возможных металлов — всего 56 возможных материалов. «Мы постарались сделать так, чтобы в трехмерной решетке ближайший сосед металла каждого атома металла всегда отличался друг от друга», — объясняет Веккио. «Так что редко бывает два атома гафния или два атома титана рядом друг с другом. Этот аспект структуры, который очень редко встречается в керамике, является ключом к существенному усложнению этих материалов ». Однако даже предсказать, какой из этих карбидов может быть синтезирован, было сложно.

К счастью, команда материаловеда Стефано Куртароло из Университета Дьюка в Северной Каролине и Института Фрица Хабера в Берлине в течение нескольких лет разрабатывает высокопроизводительную программу AFLOW (Автоматический поток для обнаружения материалов) для расчета свойств материала. Группа Куртароло определила новый параметр, называемый энтропийообразующей способностью — склонность материала к образованию сильно разупорядоченного однофазного кристалла. Они рассчитали значение этого параметра для всех 56 карбидов. Когда группа Веккио попыталась синтезировать однофазные карбиды, «модель отлично работала», говорит Куртароло: могут быть синтезированы те, у кого высокие значения способности к образованию энтропии, а те, у которых низкие значения, разделены на более простые карбиды.

Более того, некоторые материалы показали исключительные механические свойства: MoNbTaVWC5 все еще проходит испытания, но Куртароло не будет удивлен, если окажется, что это «самый твердый материал с самой высокой температурой плавления, которая когда-либо производилась». Затем исследователи намерены искать смешанные материалы, которые сочетают, например, твердость и пластичность.

«Это действительно хорошее сочетание многих начальных работ, которые позволили им найти новые материалы», — говорит химик-синтетик Джакоа Бргох из Университета Хьюстона в Техасе, США. «Я очень надеюсь, что этот подход не ограничивается этими кубическими карбидами, но может быть применен к другим системам, управляемым энтропией».







Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *