MAX фазы - MAX phases

В MAX фазы представляют собой слоистые гексагональные карбиды и нитриды, которые имеют общую формулу: Mп + 1ТОПОРп, (MAX), где n = от 1 до 4,[1] и M - ранний переходный металл, A - элемент A-группы (в основном IIIA и IVA или группы 13 и 14), и X - либо углерод и / или азот. Слоистая структура состоит из искаженных XM с разделенными краями.6 октаэдры, перемежаемые отдельными плоскими слоями элемента A-группы.

Таблица Менделеева фазы MAX
Элементы периодической таблицы, которые вместе реагируют, образуя замечательные МАКС-фазы. Красные квадраты представляют M-элементы; синие - элементы А; черный - X, C и / или N.
Список известных на сегодняшний день фаз MAX, как в объемной, так и в тонкопленочной форме:[2]
211Ti2CdC, Sc2InC, Ti2AlC, Ti2GaC, Ti2InC, Ti2TlC, V2AlC, V2GaC, Cr2GaC, Ti2AlN, Ti2GaN, Ti2InN, V2GaN, Cr2GaN, Ti2GeC, Ti2SnC, Ti2PbC, В2GeC, Cr2AlC, Cr2GeC, V2ПК, В2AsC, Ti2SC, Zr2InC, Zr2TlC, Nb2AlC, Nb2GaC, Nb2InC, Mo2GaC, Zr2InN, Zr2TlN, Zr2SnC, Zr2PbC, Nb2SnC, Nb2ПК, Nb2AsC, Zr2SC, Nb2SC, Hf2InC, Hf2TlC, Ta2AlC, Ta2GaC, Hf2SnC, Hf2PbC, Hf2SnN, Hf2SC, Zr2AlC, Ti2ZnC, Ti2ZnN, V2ZnC, Nb2CuC, Mn2GaC, Пн2AuC, Ti2AuN
312

Ti3AlC2, Ti3GaC2, Ti3InC2, V3AlC2, Ti3SiC2, Ti3GeC2, Ti3SnC2, Та3AlC2, Ti3ZnC2, Zr3AlC2

413

Ti4AlN3, V4AlC3, Ti4GaC3, Ti4SiC3, Ti4GeC3, Nb4AlC3, Та4AlC3, (Пн, В)4AlC3

514

Пн4VAlC4

История

В 1960-е годы Х. Новотны с сотрудниками открыли большое семейство тройных слоистых карбидов и нитридов, которые они назвали «H-фазами».[3][4][5][6] теперь известны как максимальные фазы 211 (т.е. n = 1) и несколько фаз 312 MAX.[7][8] Последующие работы распространяются на фазы «312», такие как Ti3SiC2 и показал его необычные механические свойства.[9] В 1996 году Барсум и Эль-Раги впервые синтезировали полностью плотный и фазово-чистый Ti.3SiC2 и обнаружил, путем характеристики, что он обладает отчетливым сочетанием некоторых из лучших свойств металлов и инженерной керамики.[10] В 1999 году они также синтезировали Ti4AlN3 (т.е. фаза MAX 413) и поняли, что имеют дело с гораздо большим семейством твердых тел, которые ведут себя одинаково.4VAlC4 (т.Е. Фаза 514 MAX) была опубликована, что стало первым значительным расширением определения семьи за более чем двадцать лет.[1] С 1996 г., когда была опубликована первая «современная» статья по этому вопросу, был достигнут огромный прогресс в понимании свойств этих фаз. С 2006 года исследования были сосредоточены на изготовлении, описании и применении композитов, включая материалы MAX-фазы. Такие системы, в том числе фазовые композиты алюминий-МАКС,[11] обладают способностью дополнительно улучшать пластичность и вязкость по сравнению с чистым материалом MAX-фазы.[12][11]

Синтез

Синтез тройных фазовых соединений и композитов MAX был реализован различными методами, включая синтез горением, химическое осаждение из паровой фазы, физическое осаждение из паровой фазы при различных температурах и скоростях потока,[13] дуговое плавление, горячее изостатическое прессование, самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), реактивное спекание, искровое плазменное спекание, механическое легирование и реакция в солевом расплаве.[14][15][16][17][18][19] Разработан метод замещения элементов в расплавленных солях для получения серии Mп + 1ZnXп И мп + 1CuXп МАКС. Фазы.[20][21][22][23]

Характеристики

Эти карбиды и нитриды обладают необычным сочетанием химических, физических, электрических и механических свойств, проявляя как металлические, так и керамические характеристики в различных условиях.[24][25] К ним относятся высокая электрическая и теплопроводность, термостойкость, устойчивость к повреждениям,[11] обрабатываемость, высокая упругая жесткость и низкие коэффициенты теплового расширения. Некоторые фазы MAX также обладают высокой устойчивостью к химическому воздействию (например, Ti3SiC2) и высокотемпературное окисление на воздухе (Ti2AlC, Cr2AlC и Ti3AlC2). Они полезны в технологиях, включающих высокоэффективные двигатели, устойчивые к повреждениям тепловые системы, повышающие сопротивление усталости и сохранение жесткости при высоких температурах.[26] Эти свойства могут быть связаны с электронной структурой и химической связью в MAX-фазах.[27] Это можно описать как периодическое изменение областей высокой и низкой электронной плотности.[28] Это позволяет создавать другие наноламинаты на основе подобия электронной структуры, например Mo2до н.э[29] и PdFe3Н.[30]

Электрические

Фазы MAX: электрически и термически проводящий из-за металлический характер их связи. Большинство фаз MAX являются лучшими электрическими и тепловыми проводниками, чем Ti. Это также связано с электронной структурой.[31]

Физический

Хотя фазы MAX жесткие, их можно обрабатывать так же легко, как и некоторые металлы. Все они могут быть обработаны вручную с помощью ножовки, несмотря на то, что некоторые из них в три раза жестче, чем металлический титан, с такой же плотностью, как титан. Их также можно полировать до металлического блеска из-за их превосходной электропроводности. Они не подвержены термическому удару и исключительно устойчивы к повреждениям. Некоторые, например Ti2AlC и Cr2AlC устойчивы к окислению и коррозии.[32]Поликристаллический Ti3SiC2 имеет нулевую термоэдс, что коррелирует с их анизотропной электронной структурой.[33]

Механический

Фазы MAX как класс обычно жесткие, легкие и пластичные при высоких температурах. Из-за слоистой атомной структуры этих соединений,[11] некоторые, как Ти3SiC2 и Ti2AlC, также слизняк и усталость стойкий[34] и сохраняют свою прочность при высоких температурах. Они демонстрируют уникальную деформацию, характеризующуюся базальным скольжением (недавно были обнаружены свидетельства наличия а-дислокаций вне базисной плоскости и поперечного скольжения дислокаций в МАХ-фазе, деформированной при высокой температуре.[35] и частичные c-дислокации Франка, индуцированные диффузией Cu-матрицы.[36]), сочетание деформации полосы перегиба и сдвига и расслоения отдельных зерен.[37][38][39] В ходе механических испытаний было обнаружено, что поликристаллический Ti3SiC2 Цилиндры можно многократно сжимать при комнатной температуре до напряжений 1 ГПа и полностью восстанавливать после снятия нагрузки при рассеивании 25% энергии. Именно благодаря характеристике этих уникальных механических свойств MAX-фаз были обнаружены изгибающиеся нелинейные твердые тела. Предполагается, что за эти свойства отвечает микромеханизм зарождающейся полосы перегиба (IKB). Однако никаких прямых доказательств наличия этих IKB пока не получено, что оставляет дверь открытой для другого механизма, менее требовательного к предположениям. Действительно, недавнее исследование демонстрирует, что обратимые петли гистерезиса при циклировании поликристаллов MAX также могут быть объяснены сложной реакцией очень анизотропной пластинчатой ​​микроструктуры.[40]

Возможные приложения

  • Прочные, поддающиеся механической обработке, стойкие к термическому удару огнеупоры[41]
  • Высокотемпературные нагревательные элементы[32]
  • Покрытия для электрических контактов
  • Детали, устойчивые к нейтронному облучению, для ядерных применений [42]
  • Прекурсор для синтеза углерод на основе карбида [43]
  • Прекурсор для синтеза MXenes, семейство двумерных карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов [44]

Рекомендации

  1. ^ а б Дейшер, Грейсон; Шак, Кристофер Юджин; Хантанасирисакул, Канит; Фрей, Натан С .; Фуше, Александр С .; Малески, Кэтлин; Сарычева, Азия; Шеной, Вивек Б .; Стах, Эрик А .; Анасори, Бабак; Гогоци, Юрий (5 декабря 2019). «Синтез Мо4VAlC4 Фаза МАКС и двумерный Мо4ВК4 MXene с пятью атомными слоями переходных металлов ». САУ Нано. 14 (1): 204–217. Дои:10.1021 / acsnano.9b07708. PMID  31804797.
  2. ^ Eklund, P .; Beckers, M .; Jansson U .; Högberg, H .; Халтман, Л. (2010). "Ихп + 1ТОПОРп этапы: материаловедение и обработка тонких пленок ». Тонкие твердые пленки. 518 (8): 1851–1878. Bibcode:2010TSF ... 518.1851E. Дои:10.1016 / j.tsf.2009.07.184.
  3. ^ Jeitschko, W .; Новотны, Х .; Бенесовский, Ф. (1964-08-01). «Карбиды формулы T2MC». Журнал менее распространенных металлов. 7 (2): 133–138. Дои:10.1016/0022-5088(64)90055-4.
  4. ^ Schuster, J.C .; Новотны, Х .; Ваккаро, К. (1980-04-01). «Тройные системы: CrAlC, VAlC и TiAlC и поведение H-фаз (M2AlC)». Журнал химии твердого тела. 32 (2): 213–219. Bibcode:1980JSSCh..32..213S. Дои:10.1016/0022-4596(80)90569-1.
  5. ^ Jeitschko, W .; Новотны, Х .; Бенесовский, Ф. (1963-11-01). «Ti2AlN, eine stickstoffhaltige H-Phase». Monatshefte für Chemie und Verwandte Teile Anderer Wissenschaften (на немецком). 94 (6): 1198–1200. Дои:10.1007 / bf00905710. ISSN  0343-7329.
  6. ^ Jeitschko, W .; Новотны, Х .; Бенесовский, Ф. (1964-03-01). «Die H-Phasen Ti2TlC, Ti2PbC, Nb2InC, Nb2SnC и Ta2GaC». Monatshefte für Chemie und Verwandte Teile Anderer Wissenschaften (на немецком). 95 (2): 431–435. Дои:10.1007 / bf00901306. ISSN  0343-7329.
  7. ^ Jeitschko, W .; Новотны, Х. (1967-03-01). "Die Kristallstruktur von Ti3SiC2 - ein neuer Komplexcarbid-Typ". Monatshefte für Chemie - Ежемесячный химический журнал (на немецком). 98 (2): 329–337. Дои:10.1007 / bf00899949. ISSN  0026-9247.
  8. ^ Wolfsgruber, H .; Новотны, Х .; Бенесовский, Ф. (1967-11-01). "Die Kristallstruktur von Ti3GeC2". Monatshefte für Chemie und Verwandte Teile Anderer Wissenschaften (на немецком). 98 (6): 2403–2405. Дои:10.1007 / bf00902438. ISSN  0343-7329.
  9. ^ Гото, Т .; Хираи, Т. (1987-09-01). «Химически осажденный Ti3SiC2 из паровой фазы». Бюллетень материаловедения. 22 (9): 1195–1201. Дои:10.1016/0025-5408(87)90128-0.
  10. ^ Barsoum, Michel W .; Эль-Раги, Укротитель (1996-07-01). «Синтез и характеристика замечательной керамики: Ti3SiC2". Варенье. Ceram. Soc. 79 (7): 1953–1956. Дои:10.1111 / j.1151-2916.1996.tb08018.x. ISSN  1551-2916.
  11. ^ а б c d Hanaor, D.A.H .; Hu, L .; Kan, W.H .; Пруст, Г .; Foley, M .; Караман, И .; Радович, М. (2016). «Характеристики сжатия и распространение трещин в сплаве Al / Ti.2Композиты AlC ». Материаловедение и инженерия A. 672: 247–256. arXiv:1908.08757. Дои:10.1016 / j.msea.2016.06.073.
  12. ^ Bingchu, M .; Ming, Y .; Jiaoqun, Z .; Вейбинг, З. (2006). «Приготовление композитов TiAl / Ti2AlC с порошками Ti / Al / C методом горячего прессования на месте». Журнал Уханьского технологического университета. Наука. 21 (2): 14–16. Дои:10.1007 / bf02840829. S2CID  135148379.
  13. ^ Магнусон, М .; Tengdelius, L .; Гречинский, Г .; Eriksson, F .; Jensen, J .; Lu, J .; Samuelsson, M .; Eklund, P .; Hultman, L .; Хогберг, Х. (2019). «Композиционная зависимость эпитаксиального Tiп + 1SiCп Тонкие пленки MAX-фазы, выращенные из Ti3SiC2 составная мишень ". J. Vac. Sci. Technol. А. 37 (2): 021506. arXiv:1901.05904. Bibcode:2019JVSTA..37b1506M. Дои:10.1116/1.5065468. ISSN  0734-2101. S2CID  104356941.
  14. ^ Инь, Си; Чен, Кексин; Чжоу, Хэпин; Нин, Сяошань (август 2010 г.). «Синтез Ti3SiC2/ Композиты TiC из элементарных порошков в условиях высокой гравитации ». Журнал Американского керамического общества. 93 (8): 2182–2187. Дои:10.1111 / j.1551-2916.2010.03714.x.
  15. ^ Макс фазовые композиты Материаловедение и инженерия A
  16. ^ Арунаджатесан, Соумья; Карим, Альтаф Х. (март 1995 г.). «Синтез карбида кремния титана». Журнал Американского керамического общества. 78 (3): 667–672. Дои:10.1111 / j.1151-2916.1995.tb08230.x.
  17. ^ Gao, N. F .; Миямото, Ю .; Чжан, Д. (1999). "Dense Ti3SiC2 подготовлен реактивным ГИП ». Журнал материаловедения. 34 (18): 4385–4392. Bibcode:1999JMatS..34.4385G. Дои:10.1023 / А: 1004664500254. S2CID  136980187.
  18. ^ Ли, Ши-Бо; Чжай, Хун-Сян (8 июня 2005 г.). «Синтез и механизм реакции Ti3SiC2 методом механического легирования элементарных порошков Ti, Si и C ». Журнал Американского керамического общества. 88 (8): 2092–2098. Дои:10.1111 / j.1551-2916.2005.00417.x.
  19. ^ Даш, Апурв; Васен, Роберт; Гийон, Оливье; Гонсалес-Хулиан, Хесус (май 2019 г.). «Синтез материалов, склонных к окислению на воздухе в защитных расплавах солей». Материалы Природы. 18 (5): 465–470. Bibcode:2019НатМа..18..465Д. Дои:10.1038 / s41563-019-0328-1. ISSN  1476-4660. PMID  30936480. S2CID  91188246.
  20. ^ Mian, LI; You-Bing, LI; Кан, LUO; Jun, LU; Пер, ЭКЛУНД; Пер, ПЕРССОН; Йоханна, РОЗЕН; Ларс, ХАЛТМАН; Ши-Ю, Д.У. (2019). «Синтез новой MAX-фазы Ti3ZnC2 с помощью метода замещения элемента в A-сайте». Журнал неорганических материалов. 34 (1): 60. Дои:10.15541 / jim20180377. ISSN  1000-324X.
  21. ^ Ли, Миан (2019). «Подход замещения элементов путем реакции с расплавленными солями кислоты Льюиса для синтеза наноламинированных MAX-фаз и MXenes». Журнал Американского химического общества. 141 (11): 4730–4737. arXiv:1901.05120. Дои:10.1021 / jacs.9b00574. PMID  30821963. S2CID  73507099. Получено 2019-05-09.
  22. ^ Ли, Юбинг; Ли, Миан; Лу, Джун; Ма, Баокай; Ван, Чжипан; Чеонг, Лин-Чжи; Луо, Кан; Чжа, Сяньху; Чен, Кэ (24.07.2019). «Активные слои толщиной с один атом, реализованные в наноламинированном Ti 3 (Al x Cu 1– x) C 2, и его искусственное ферментное поведение». САУ Нано. 13 (8): 9198–9205. Дои:10.1021 / acsnano.9b03530. ISSN  1936-0851. PMID  31330102.
  23. ^ Хуанг, Цин; Хуанг, Пинг; Ван, Хунцзе; Чай, Чжифан; Хуанг, Чжэнжэнь; Ду, Шию; Эклунд, Пер; Халтман, Ларс; Перссон, Пер О.А. (19.07.2019). «Синтез MAX-фаз Nb2CuC и Ti2 (Al0.1Cu0.9) N реакцией замещения A-сайта в расплавленных солях». arXiv:1907.08405 [cond-mat.mtrl-sci ].
  24. ^ Барсум, М.В. (2000). "Ихп + 1ТОПОРп Фазы: новый класс твердых тел; Термодинамически стабильные наноламинаты » (PDF). Прог. Твердофазная химия. 28: 201–281. Дои:10.1016 / S0079-6786 (00) 00006-6.
  25. ^ Барсум, М.В. (2006) "Физические свойства MAX-фаз" в Энциклопедия материаловедения и технологий, К. Х. Дж. Бушоу (ред.). Эльзевир, Амстердам.
  26. ^ Басу, Бикрамджит; Кантеш Балани (2011). Современная структурная керамика. Вайли. ISBN  978-0470497111.
  27. ^ Магнусон, М .; Маттезини, М. (2017). «Химическая связь и электронная структура в фазах MAX с точки зрения рентгеновской спектроскопии и теории функционала плотности». Тонкие твердые пленки. 621: 108–130. arXiv:1612.04398. Bibcode:2017TSF ... 621..108M. Дои:10.1016 / j.tsf.2016.11.005. S2CID  119404316.
  28. ^ Музыка, D .; Шнайдер, Дж. М. (2007). «Взаимосвязь электронной структуры и упругих свойств наноламинатов». JOM. 59 (7): 60. Bibcode:2007JOM .... 59г..60М. Дои:10.1007 / s11837-007-0091-7. S2CID  135558323.
  29. ^ Emmerlich, J .; Музыка, D .; Браун, М .; Fayek, P .; Munnik, F .; Шнайдер, Дж. М. (2009). "Предложение по необычно жесткому и умеренно пластичному твердому покрытию: Мо2ДО Н.Э". Журнал физики D: Прикладная физика. 42 (18): 185406. Bibcode:2009JPhD ... 42R5406E. Дои:10.1088/0022-3727/42/18/185406.
  30. ^ Takahashi, T .; Музыка, D .; Шнайдер, Дж. М. (2012). «Влияние магнитного упорядочения на упругие свойства PdFe.3N ". Журнал вакуумной науки и техники A. 30 (3): 030602. Bibcode:2012JVSTA..30c0602T. Дои:10.1116/1.4703897.
  31. ^ Магнусон, М. (2006). «Электронная структура и химическая связь в Ti2AlC исследован методом мягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии ». Phys. Ред. B. 74 (19): 195108. arXiv:1111.2910. Bibcode:2006ПхРвБ..74с5108М. Дои:10.1103 / PhysRevB.74.195108. S2CID  117094434.
  32. ^ а б Таллман, Дарин Дж. (2013). «Критический обзор окисления Ti2AlC, Ti3AlC2 и Cr2AlC на воздухе». Письма об исследованиях материалов. 1 (3): 115–125. Дои:10.1080/21663831.2013.806364.
  33. ^ Магнусон, М. (2012). «Электронно-структурное происхождение анизотропной термоэдс наноламинированного Ti.3SiC2 определяется с помощью поляризованной рентгеновской спектроскопии и измерений Зеебека ». Phys. Ред. B. 85 (19): 195134. arXiv:1205.4993. Bibcode:2012ПхРвБ..85с5134М. Дои:10.1103 / PhysRevB.85.195134. S2CID  29492896.
  34. ^ Гилберт, К.Дж. (2000). «Рост усталостной трещины и свойства разрушения крупного и мелкозернистого титана.3SiC2" (PDF). Scripta Materialia. 238 (2): 761–767. Дои:10.1016 / S1359-6462 (99) 00427-3.
  35. ^ Guitton, A .; Joulain, A .; Тилли, Л. и Тромас, К. (2014). «Свидетельства поперечного скольжения дислокаций в MAX-фазе, деформированной при высокой температуре». Sci. Представитель. 4: 6358. Bibcode:2014НатСР ... 4Э6358Г. Дои:10.1038 / srep06358. ЧВК  4163670. PMID  25220949.
  36. ^ Yu, W .; Guénolé, J .; Ghanbaja, J .; Валле, М. и Гиттон, А. (2021). «Франк частичный вывих в Ti2Фаза AlC-MAX, индуцированная диффузией матрицы-Cu » (PDF). Scr. Мат. 19: 34–39. Дои:10.1016 / j.scriptamat.2020.09.007.
  37. ^ Барсум М.В. и Эль-Раги Т. (1999). «Вязкие карбиды при комнатной температуре». Металлургические операции и операции с материалами A. 30 (2): 363–369. Bibcode:1999MMTA ... 30..363B. Дои:10.1007 / s11661-999-0325-0. S2CID  136828800.
  38. ^ Barsoum, M.W .; Farber, L .; Эль-Раги Т. и Левин И. (1999). «Дислокации, полосы перегиба и пластичность Ti при комнатной температуре.3SiC2". Встретились. Mater. Транс. 30А (7): 1727–1738. Bibcode:1999MMTA ... 30.1727B. Дои:10.1007 / s11661-999-0172-z. S2CID  137467860.
  39. ^ Guitton, A .; Joulain, A .; Тилли, Л. и Тромас, К. (2012). «Дислокационный анализ Ti2AlN деформировался при комнатной температуре под ограничивающим давлением ». Философский журнал. 92 (36): 4536–4546. Bibcode:2012PMag ... 92,4536G. Дои:10.1080/14786435.2012.715250. S2CID  137436803.
  40. ^ Guitton, A .; Van Petegem, S .; Tromas, C .; Joulain, A .; Ван Суигенховен, Х. и Тилли, Л. (2014). «Влияние анизотропии микроструктуры на деформацию поликристаллов MAX, изученное методом сжатия на месте в сочетании с дифракцией нейтронов». Письма по прикладной физике. 104 (24): 241910. Bibcode:2014АпФЛ.104x1910Г. Дои:10.1063/1.4884601.
  41. ^ Фарле, А (2016). «Демонстрация самовосстановления некоторых выбранных керамических материалов в условиях камеры сгорания». Умные материалы и конструкции. 25 (8): 084019. Bibcode:2016СМАС ... 25х4019Ф. Дои:10.1088/0964-1726/25/8/084019.
  42. ^ Хоффман, Элизабет (2012). «Карбиды и нитриды фазы MAX: свойства для будущих применений в активной зоне АЭС и нейтронный анализ трансмутации». Ядерная инженерия и дизайн. 244: 17–24. Дои:10.1016 / j.nucengdes.2011.12.009.
  43. ^ Хоффман, Элизабет (2008). «Микро- и мезопористость углерода, полученного из тройных и двойных карбидов металлов». Микропористые и мезопористые материалы. 112 (1–3): 526–532. Дои:10.1016 / j.micromeso.2007.10.033.
  44. ^ Нагиб, Майкл (2011). «Двумерные нанокристаллы, полученные расслоением Ti.3AlC2". Современные материалы. 23 (37): 4248–53. CiteSeerX  10.1.1.497.9340. Дои:10.1002 / adma.201102306. PMID  21861270.