순순한 계산으로 선별된 향상된 연성 및 파괴 인성을 갖춘 세라믹 전이 금속 이붕화물 초격자

Jul 25, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12835(2023) 이 기사 인용

383 액세스

측정항목 세부정보

사용 중에 쉽게 균열이 형성되고 전파되는 본질적인 취성은 보호용 세라믹 박막 응용 분야에 심각한 문제입니다. 일반적으로 더 부드럽고 단단한 재료로 구성된 nm 두께의 층이 교대로 있는 초격자 구조는 입방체 전이 금속 질화물 세라믹과 같은 기계적 성능을 향상시키는 강력한 방법으로 입증되었습니다. 높은 처리량의 1차 원리 계산을 사용하여 우리는 초격자 구조가 두 개의 경쟁 육각형 상 \(\알파\) 및 \(\오메가\)을 사용하여 전이 금속 이붕화물의 기계적 특성 및 파괴 저항성을 향상시키는 데에도 유망함을 제안합니다. 우리는 \(\alpha /\alpha\), \(\alpha /\omega\) 또는 \(\omega /\omega\) MB\(_2\)의 264가지 가능한 조합을 연구합니다(여기서 M \(=\) Al 또는 3-6족 전이 금속) 이붕화물 초격자. 격자 및 전단 계수 불일치(\(\Delta a<4\%\), \(\Delta G>40\) GPa)에 대한 제한과 함께 에너지 안정성 고려 사항을 기반으로 추가 조사를 위해 33개의 초격자 시스템을 선택합니다. 확인된 시스템은 기계적 안정성과 탄성 상수 \(C_{ij}\)로 분석됩니다. 여기서 후자는 면 내 강도와 면 외 강도(\(C_{11}\))를 나타냅니다. \(C_{33}\)) 및 연성(\(C_{13}-C_{44}\), \(C_{12}-C_{66}\)). 경계면을 따라 취성 벽개에 저항하는 초격자 능력은 파괴 인성에 대한 그리피스의 공식으로 추정됩니다. \(\alpha /\alpha\)형 TiB\(_2\)/MB\(_2\) (M\(=\) Mo, W), HfB\(_2\)/WB\(_2\) , VB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Cr, Mo), NbB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Mo, W) , 및 \(\alpha /\omega\)-type AlB\(_2\)/MB\(_2\) (M\(=\) Nb, Ta, Mo, W)가 가장 유망한 후보로 제안됩니다. 강화된 인성과 균열 성장에 대한 저항성을 위한 원자 규모 기반.

순순한 계산은 많은 응용 분야에서 원치 않는 재료의 거동을 억제할 수 있는 새로운 설계 접근 방식의 길을 열어 주므로 현대 기술 프로세스를 가속화하는 데 필수적입니다. 특히 전이 금속 탄화물, 질화물 및 이붕화물을 포함한 얇은 세라믹 필름 분야에서 초기 예측은 유용한 추세 제공자로 간주되며 거의 일상적으로 실험 연구를 보완합니다5,6,7,8. 우리의 연구는 초고온 세라믹(UHTC)에 속하며 높은 경도, 마모 및 침식 마모에 대한 우수한 저항성, 탁월한 산화 및 부식 저항성으로 매력적인 전이 금속 이붕화물(MB\(_2\)s)에 중점을 두고 있습니다9, 10,11,12,13. 원자 규모에서 이러한 특성은 붕소와 전이 금속 원자 사이의 강한 공유, 이온 공유 결합에서 비롯되며, 얇은 필름의 경우 독특한 나노복합체 구조5,6에도 기인할 수 있습니다. 그러나 MB\(_2\) 박막은 기계적 및 열적 부하를 받을 때 소성 변형하는 능력이 제한되어 있어 쉽게 균열이 시작/전파되고 궁극적으로 영구적인 파손으로 이어집니다.

지난 20년 동안 얇은 세라믹 필름의 변형 중 취성 거동과 균열 전파를 억제하기 위한 몇 가지 개념이 등장했습니다. 전이 금속 질화물, 탄화물 및 이붕화물 박막에 적용되는 소위 "고유" 접근법은 전이 금속 부격자에서의 합금화 또는 공극 유발 강화17,18를 기반으로 하며 탄성 강성을 감소시킵니다(일반적으로 낮은 압입 계수로 나타남). ) 균열이 발생하는 경향을 줄입니다. 다른 "외부적" 접근법은 기존 균열 근처에 축적된 에너지를 효과적으로 소산시키는 공간적 이질성을 갖는 다층 구조의 형성을 기반으로 합니다. 초격자 구조에서 균열 전파는 유연한 층과 단단한 층 사이의 경계면에 의해 편향되고 둔화되거나 증착 중 성장 방향의 점프와 같은 교대로 형성된 경계면에 의해 균열이 지연됩니다(갈매기형 형태).

4\%\)) is produced when combining YB\(_2\) with any of the group 5–6 diborides, regardless of their phase modification. TiB\(_2\) yields a plausible lattice mismatch when combined with almost any diboride with the exception of YB\(_2\) and ZrB\(_2\). In terms of our \(\Delta a\) criterion, group 5–6 diborides (both \(\alpha\) and \(\omega\) structured) can be freely combined, with few exceptions including \(\omega\)-CrB\(_2\). Regarding the shear modulus mismatch (Fig. 3d–f), our calculations reveal that combinations of \(\alpha\)-structured ZrB\(_2\), HfB\(_2\), VB\(_2\), NbB\(_2\), TaB\(_2\) produce \(\Delta G<40\) GPa, hence not provide a suitable basis for obstructing dislocation movement. The same is true for combinations of the group 6 \(\alpha\)-phased diborides between themselves. Furthermore, \(\alpha\)-TiB\(_2\) exhibits \(\Delta G>40\) GPa when combined with almost any \(\alpha\) diboride with the exception of ZrB\(_2\), HfB\(_2\), and VB\(_2\). Group 5–6 MB\(_2\)s in the \(\omega\) structural variant exhibit essentially zero \(\Delta G\) when combined with each other. Comparably low \(\Delta G\) is predicted for combination so \(\alpha\)-structured TiB\(_2\), ZrB\(_2\), HfB\(_2\), and VB\(_2\) with \(\omega\)-structured MB\(_2\) with M from from group 5–6./p>

이전의: EC는 제안된 새로운 법안에 따라 중요하고 전략적인 원자재를 지정합니다. 다음: 광물탐사에 민간부문을 유치하기 위한 노력

문의 보내기

보내다