Выключенный

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13631 (2023) Цитировать эту статью

136 Доступов

Подробности о метриках

Керамика MX типа B1 состоит из переходных металлов (M) и C, N и/или O (X), занимающих позиции M и X соответственно и имеющих связи ближайшего соседа M-X (NN), а также связи M-M и M-X. Облигации X–X следующего ближайшего соседа (NNN). Замещение элементов и образование структурных вакансий в керамике типа В1 изменяют количество и прочность связей, приводя к новым свойствам. Экспериментально исследовано изменение модуля упругости нестехиометрического TiC в равновесии с фазой твердого раствора Ti–Mo на основе правила смесей модели Фойгта. Экспериментально полученные значения хорошо согласуются с результатами расчетов по теории функционала плотности. Модуль объемного сжатия (K) TiC увеличился с 205,6 до 239,2 ГПа по мере увеличения доли позиций Ti, занятых Mo, с 0,11 до 0,33, тогда как модуль Юнга (E) и модуль сдвига (G) остались практически постоянными. С другой стороны, все три модуля упругости уменьшались с увеличением доли вакансий в позициях C. Эти результаты позволяют предположить, что прочность связи M–X должна быть доминирующим фактором в этих модулях, а влияние связи M–M на K больше, чем влияние G и E.

Соединения MX типа B1, состоящие из переходных металлов (M) и C, N и/или O (X), занимающие позиции M и X соответственно, преимущественно с ковалентными связями M–X, проявляют привлекательные свойства материала, такие как низкая плотность, высокая температура плавления, высокая твердость, хорошая износостойкость и умеренная электропроводность1,2,3. Следовательно, эти керамические фазы широко используются в тонких пленках, в качестве покрытий режущих инструментов, в качестве твердых фаз в керметах и ​​т. д., а также обнаруживаются в виде наноразмерных выделений в некоторых сталях2,4,5,6,7,8. Недостатком соединений типа В1 является их хрупкость; например, вязкость разрушения стехиометрического TiC составляет всего около 3 МПа(м)1/29,10. Если бы эту низкую ударную вязкость можно было улучшить без соразмерного снижения прочности, применение полученной керамики еще больше расширилось бы в качестве сверхвысокотемпературных материалов, которые можно было бы использовать для повышения энергоэффективности газовых турбин и реактивных двигателей, а также для систем тепловой защиты. в корпусах космических кораблей11,12,13,14,15.

Соединения MX типа B1 могут иметь относительно высокую степень нестехиометрии по сравнению с другой керамикой, такой как фазы SiC и MAX13,14,15,16,17. Например, в тройной системе Ti–Al–C область состава Ti2AlC очень узка даже при 1300 °C18. С другой стороны, фазовая область TiC в тройной системе Mo-Ti-C расширяется как в сторону областей, богатых Ti, так и в сторону областей, богатых Mo, и эти нестехиометрии изменяют свойства материала, изменяя типы и количество связи за счет замещения элементов и образования структурных вакансий19.

В области интерметаллических соединений существует долгая история исследований того, как изменяются свойства материалов из-за нестехиометрии. Например, интерметаллиды типа B2 широко изучались на предмет влияния нестехиометрии на их дефектные структуры и свойства20,21,22,23,24,25,26,27. При этом хорошо известно, что дефектная структура MX-соединений B1-типа имеет вакансионный тип в области, богатой переходными металлами28,29,30,31. В ранних исследованиях уже обсуждались сдвиги в энергии связи и зонной структуре нестехиометрического TiC32,33. За последние два десятилетия фазовая стабильность и упругие модули MX-соединений B1-типа, связанные с дефектной структурой, были исследованы с помощью расчетов теории функционала плотности (DFT)34,35,36,37. Упругие свойства многокомпонентных соединений MX типа B1 с вакансиями38,39 или без вакансий40,41,42,43 также были исследованы с помощью расчетов DFT. Более целесообразным является дальнейшее исследование нестехиометрического влияния структурных вакансий на свойства материалов многокомпонентных соединений MX типа B1 экспериментальным и расчетным путем.