МАКСИМАЛЬНЫЕ фазы

Фазы MAX представляют собой слоистые гексагональные карбиды и нитриды, имеющие общую формулу: M n+1 AX n , (MAX) где n = от 1 до 4, [1] и M - ранний переходный металл, A - элемент группы A (в основном IIIA и IVA, или группы 13 и 14), а X - углерод и/или азот . Слоистая структура состоит из общих по ребрам, искаженных октаэдров XM 6 , перемежающихся одиночными плоскими слоями элемента группы A.

MAX Фаза периодическая таблица
Элементы в периодической таблице, которые реагируют друг с другом, образуя замечательные фазы MAX. Красные квадраты представляют элементы M; синие — элементы A; черные — X, или C и/или N.
Список фаз MAX, известных на сегодняшний день, как в объемной, так и в тонкопленочной форме: [2]
211Ti 2 CdC, Sc 2 InC, Sc 2 SnC,Ti 2 AlC, Ti 2 GaC, Ti 2 InC, Ti 2 TlC, V 2 AlC, V 2 GaC, Cr 2 GaC, Ti 2 AlN, Ti 2 GaN, Ti 2 InN, V 2 GaN, Cr 2 GaN, Ti 2 GeC, Ti 2 SnC, Ti 2 PbC, V 2 GeC, Cr 2 AlC, Cr 2 GeC, V 2 PC, V 2 AsC, Ti 2 SC, Zr 2 InC, Zr 2 TlC, Nb 2 AlC, Nb 2 GaC, Nb 2 InC, Mo 2 GaC, Zr 2 InN , Zr 2 TlN, Zr 2 SnC, Zr 2 PbC, Nb 2 SnC, Nb 2 ПК, № 2 AsC, Zr 2 SC, Nb 2 SC, Hf 2 InC, Hf 2 TlC, Ta 2 AlC, Ta 2 GaC, Hf 2 SnC, Hf 2 PbC, Hf 2 SnN, Hf 2 SC, Zr 2 AlC, Ti 2 ZnC, Ti 2 ZnN, V 2 ZnC, Nb 2 CuC, Mn 2 GaC, Mo 2 AuC, Ti 2 AuN
312

Ti 3 AlC 2 , Ti 3 GaC 2 , Ti 3 InC 2 , V 3 AlC 2 , Ti 3 SiC 2 , Ti 3 GeC 2 , Ti 3 SnC 2 , Ta 3 AlC 2 , Ti 3 ZnC 2 , Zr 3 AlC 2

413

Ti 4 AlN 3 , V 4 AlC 3 , Ti 4 GaC 3 , Ti 4 SiC 3 , Ti 4 GeC 3 , Nb 4 AlC 3 , Ta 4 AlC 3 , (Mo,V) 4 AlC 3

514

Мо 4 ВальС 4

История

В 1960-х годах Х. Новотны и его коллеги открыли большое семейство тройных, слоистых карбидов и нитридов, которые они назвали фазами «H», [3] [4] [5] [6] теперь известные как фазы «211» MAX (т. е. n = 1) и несколько фаз «312» MAX. [7] [8] Последующие работы были распространены на фазы «312», такие как Ti 3 SiC 2 , и показали, что они обладают необычными механическими свойствами. [9] В 1996 году Барсум и Эль-Раги впервые синтезировали полностью плотный и фазово-чистый Ti 3 SiC 2 и показали, путем характеризации, что он обладает отчетливым сочетанием некоторых из лучших свойств металлов и инженерной керамики. [10] В 1999 году они также синтезировали Ti 4 AlN 3 (т. е. фазу MAX «413») и поняли, что имеют дело с гораздо большим семейством твердых тел, которые все ведут себя схожим образом. В 2020 году был опубликован Mo 4 VAlC 4 (т. е. фаза MAX «514»), первое крупное расширение определения семейства за более чем двадцать лет. [1] С 1996 года, когда была опубликована первая «современная» статья по этой теме, был достигнут огромный прогресс в понимании свойств этих фаз. С 2006 года исследования были сосредоточены на изготовлении, характеристике и внедрении композитов, включающих материалы с фазой MAX. Такие системы, включая композиты из алюминия и фазы MAX, [11] обладают способностью дополнительно улучшать пластичность и ударную вязкость по сравнению с чистым материалом с фазой MAX. [12] [11]

Синтез

Синтез тройных МАХ-фазных соединений и композитов был реализован различными методами, включая синтез горением, химическое осаждение из паровой фазы, физическое осаждение из паровой фазы при различных температурах и скоростях потока, [13] дуговую плавку, горячее изостатическое прессование, самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), реактивное спекание, искровое плазменное спекание, механическое легирование и реакцию в расплавленной соли. [14] [15] [16] [17] [18] [19] Разработан метод замещения элементов в расплавленных солях для получения серии МАХ-фаз M n+1 ZnX n и M n+1 CuX n . [20] [21] [22] [23]

Характеристики

Эти карбиды и нитриды обладают необычным сочетанием химических, физических, электрических и механических свойств, демонстрируя как металлические, так и керамические характеристики в различных условиях. [24] [25] К ним относятся высокая электро- и теплопроводность, стойкость к тепловому удару, устойчивость к повреждениям, [11] обрабатываемость, высокая упругая жесткость и низкие коэффициенты теплового расширения. Некоторые MAX-фазы также обладают высокой устойчивостью к химическому воздействию (например, Ti 3 SiC 2 ) и высокотемпературному окислению на воздухе (Ti 2 AlC, Cr 2 AlC и Ti 3 AlC 2 ). Они полезны в технологиях, включающих высокоэффективные двигатели, устойчивые к повреждениям тепловые системы, повышение усталостной прочности и сохранение жесткости при высоких температурах. [26] Эти свойства могут быть связаны с электронной структурой и химическими связями в MAX-фазах. [27] Это можно описать как периодическое изменение областей высокой и низкой электронной плотности. [28] Это позволяет проектировать другие наноламинаты на основе сходства электронной структуры, такие как Mo2BC [ 29 ] и PdFe3N . [ 30]

Электрические

Фазы MAX являются электро- и теплопроводными из-за металлической природы их связи . Большинство фаз MAX являются лучшими электро- и теплопроводниками, 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 обрабатываться вручную с помощью ножовки, несмотря на то, что некоторые из них в три раза жестче титанового металла, имея ту же плотность, что и титан. Их также можно полировать до металлического блеска из-за их превосходной электропроводности. Они не подвержены тепловому удару и исключительно устойчивы к повреждениям. Некоторые, такие как Ti 2 AlC и Cr 2 AlC, устойчивы к окислению и коррозии. [32] Поликристаллический Ti 3 SiC 2 имеет нулевую термоЭДС , особенность, которая коррелирует с их анизотропной электронной структурой. [33]

Механический

Фазы MAX как класс обычно жесткие, легкие и пластичные при высоких температурах. Благодаря слоистой атомной структуре этих соединений [11] некоторые из них, такие как Ti 3 SiC 2 и Ti 2 AlC, также устойчивы к ползучести и усталости [34] и сохраняют свою прочность при высоких температурах. Они демонстрируют уникальную деформацию, характеризующуюся базисным скольжением (недавно были зарегистрированы свидетельства a-дислокаций вне базисной плоскости и поперечных скольжений дислокаций в фазе MAX, деформированной при высокой температуре [35] , а также были зарегистрированы частичные c-дислокации Франка, вызванные диффузией Cu-матрицы [36] ), сочетание деформации перегиба и полосы сдвига и расслоения отдельных зерен. [37] [38] [39] Во время механических испытаний было обнаружено, что поликристаллические цилиндры Ti 3 SiC 2 могут многократно сжиматься при комнатной температуре до напряжений 1 ГПа и полностью восстанавливаться после снятия нагрузки, рассеивая 25% энергии. Именно путем характеристики этих уникальных механических свойств фаз MAX были обнаружены нелинейные твердые тела с перегибами. Микромеханизмом, который, как предполагается, отвечает за эти свойства, является начальная полоса перегиба (IKB). Однако прямых доказательств этих IKB пока не получено, что оставляет дверь открытой для других механизмов, которые менее жадны до предположений. Действительно, недавнее исследование показывает, что обратимые гистерезисные петли при циклировании поликристаллов MAX также могут быть объяснены сложным откликом очень анизотропной пластинчатой ​​микроструктуры. [40]

Потенциальные приложения

  • Прочные, обрабатываемые, стойкие к термическим ударам огнеупоры [41]
  • Высокотемпературные нагревательные элементы [32]
  • Покрытия для электрических контактов
  • Детали, устойчивые к нейтронному облучению, для ядерных применений [42]
  • Прекурсор для синтеза углерода, полученного из карбида [43]
  • Прекурсор для синтеза MXenes , семейства двумерных карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов [44]

Ссылки

  1. ^ аб Дейшер, Грейсон; Шак, Кристофер Юджин; Хантанасирисакул, Канит; Фрей, Натан С.; Фуше, Александр К.; Малески, Кэтлин; Сарычева, Азия; Шеной, Вивек Б.; Стах, Эрик А.; Анасори, Бабак; Гогоци, Юрий (5 декабря 2019 г.). «Синтез фазы Mo 4 VAlC 4 MAX и двумерного Mo 4 VC 4 MXene с пятью атомными слоями переходных металлов». АСУ Нано . 14 (1): 204–217 . doi :10.1021/acsnano.9b07708. OSTI  1774171. PMID  31804797. S2CID  208768008.
  2. ^ Эклунд, П.; Беккерс, М.; Янссон У.; Хегберг, Х.; Хультман, Л. (2010). «Фазы Mn+1AXn: Материаловедение и обработка тонких пленок». Тонкие твердые пленки . 518 (8): 1851– 1878. Bibcode : 2010TSF...518.1851E. doi : 10.1016/j.tsf.2009.07.184.
  3. ^ Jeitschko, W.; Novotny, H.; Benesovsky, F. (1964-08-01). "Карбиды формулы T2MC". Journal of the Less Common Metals . 7 (2): 133– 138. doi :10.1016/0022-5088(64)90055-4.
  4. ^ Шустер, Дж. К.; 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. doi : 10.1016/0022-4596(80)90569-1.
  5. ^ Джейчко, В.; Новотны, Х.; Бенешовский, Ф. (1 ноября 1963 г.). «Ti2AlN, eine Stickstoffhaltige H-Phase». Monatshefte für Chemie und Verwandte Teile Anderer Wissenschaften (на немецком языке). 94 (6): 1198–1200 . doi : 10.1007/bf00905710. ISSN  0343-7329.
  6. ^ Джейчко, В.; Новотны, Х.; Бенешовский, Ф. (1 марта 1964 г.). «Н-фаза Ti2TlC, Ti2PbC, Nb2InC, Nb2SnC и Ta2GaC». Monatshefte für Chemie und Verwandte Teile Anderer Wissenschaften (на немецком языке). 95 (2): 431–435 . doi : 10.1007/bf00901306. ISSN  0343-7329.
  7. ^ Джейчко, В.; Новотны, Х. (1 марта 1967 г.). «Die Kristallstruktur von Ti3SiC2 — ein neuer Komplexcarbid-Typ». Monatshefte für Chemie - Ежемесячник по химии (на немецком языке). 98 (2): 329–337 . doi : 10.1007/bf00899949. ISSN  0026-9247.
  8. ^ Вольфсгрубер, Х.; Новотны, Х.; Бенешовский, Ф. (1 ноября 1967 г.). «Кристаллическая структура Ti3GeC2». Monatshefte für Chemie und Verwandte Teile Anderer Wissenschaften (на немецком языке). 98 (6): 2403–2405 . doi : 10.1007/bf00902438. ISSN  0343-7329.
  9. ^ Гото, Т.; Хираи, Т. (1987-09-01). "Химически осажденный из паровой фазы Ti3SiC2". Materials Research Bulletin . 22 (9): 1195– 1201. doi :10.1016/0025-5408(87)90128-0.
  10. ^ Барсум, Мишель В.; Эль-Раги, Тамер (1996-07-01). «Синтез и характеристика замечательной керамики: Ti 3 SiC 2 ». J. Am. Ceram. Soc . 79 (7): 1953– 1956. doi :10.1111/j.1151-2916.1996.tb08018.x. ISSN  1551-2916.
  11. ^ abcd Hanaor, DAH; Hu, L.; Kan, WH; Proust, G.; Foley, M.; Karaman, I.; Radovic, M. (2016). «Характеристики сжатия и распространение трещин в композитах Al-сплав/Ti- 2- AlC». Materials Science and Engineering A. 672 : 247–256 . arXiv : 1908.08757 . doi : 10.1016/j.msea.2016.06.073. S2CID  201645244.
  12. ^ Bingchu, M.; Ming, Y.; Jiaoqun, Z.; Weibing, Z. (2006). «Подготовка композитов TiAl/Ti2AlC с порошками Ti/Al/C методом горячего прессования in-situ». Журнал Уханьского технологического университета — Mater. Sci . 21 (2): 14– 16. doi :10.1007/bf02840829. S2CID  135148379.
  13. ^ Magnuson, M.; Tengdelius, L.; Greczynski, G.; Eriksson, F.; Jensen, J.; Lu, J.; Samuelsson, M.; Eklund, P.; Hultman, L.; Hogberg, H. (2019). "Композиционная зависимость эпитаксиальных тонких пленок MAX-фазы Tin+1SiCn, выращенных из мишени из соединения Ti3SiC2". Journal of Vacuum Science & Technology A . 37 (2): 021506. arXiv : 1901.05904 . Bibcode :2019JVSTA..37b1506M. doi :10.1116/1.5065468. ISSN  0734-2101. S2CID  104356941.
  14. ^ Инь, Си; Чэнь, Кэсинь; Чжоу, Хэпин; Нин, Сяошань (август 2010 г.). «Синтез горения композитов Ti3SiC2 / TiC из элементарных порошков в условиях высокой гравитации». Журнал Американского керамического общества . 93 (8): 2182– 2187. doi :10.1111/j.1551-2916.2010.03714.x.
  15. ^ Композиты Max phase Материалы Наука и техника A
  16. ^ Арунаджатесан, Совмья; Карим, Альтаф Х. (март 1995 г.). «Синтез титана и карбида кремния». Журнал Американского керамического общества . 78 (3): 667–672 . doi :10.1111/j.1151-2916.1995.tb08230.x.
  17. ^ Гао, Н. Ф.; Миямото, И.; Чжан, Д. (1999). «Плотный Ti 3 SiC 2 , приготовленный реактивным HIP». Журнал материаловедения . 34 (18): 4385– 4392. Bibcode : 1999JMatS..34.4385G. doi : 10.1023/A:1004664500254. S2CID  136980187.
  18. ^ Ли, Ши-Бо; Чжай, Хун-Сян (8 июня 2005 г.). «Синтез и механизм реакции Ti 3 SiC 2 путем механического легирования элементарных порошков Ti, Si и C». Журнал Американского керамического общества . 88 (8): 2092– 2098. doi :10.1111/j.1551-2916.2005.00417.x.
  19. ^ Дэш, Апурв; Вассен, Роберт; Гийон, Оливье; Гонсалес-Хулиан, Иисус (май 2019 г.). «Синтез материалов, склонных к окислению, на воздухе с защитой расплавленной солью». Nature Materials . 18 (5): 465– 470. Bibcode :2019NatMa..18..465D. doi :10.1038/s41563-019-0328-1. ISSN  1476-4660. PMID  30936480. S2CID  91188246.
  20. ^ Mian, LI; You-Bing, LI; Kan, LUO; Jun, LU; Per, EKLUND; Per, PERSSON; Johanna, ROSEN; Lars, HULTMAN; Shi-Yu, DU (2019). "Синтез новой MAX-фазы Ti3ZnC2 с помощью подхода замещения элемента на A-сайте". Журнал неорганических материалов . 34 (1): 60. doi : 10.15541/jim20180377 . ISSN  1000-324X.
  21. ^ Ли, Миан (2019). «Подход к замене элементов с помощью реакции с расплавленными солями кислоты Льюиса для синтеза наноламинированных MAX-фаз и MXenes». Журнал Американского химического общества . 141 (11): 4730–4737 . arXiv : 1901.05120 . doi : 10.1021/jacs.9b00574. PMID  30821963. S2CID  73507099. Получено 09.05.2019 .
  22. ^ Ли, Юбинг; Ли, Миан; Лу, Цзюнь; Ма, Баокай; Ван, Чжипан; Чонг, Лин-Чжи; Ло, Кан; Чжа, Сяньху; Чэнь, Кэ (2019-07-24). «Активные слои толщиной в один атом, реализованные в наноламинированном Ti 3 (Al x Cu 1– x )C 2 и его поведение в качестве искусственного фермента». ACS Nano . 13 (8): 9198– 9205. doi :10.1021/acsnano.9b03530. ISSN  1936-0851. PMID  31330102. S2CID  198173003.
  23. ^ Хуан, Цин; Хуан, Пин; Ван, Хунцзе; Чай, Чжифан; Хуан, Чжэнжэнь; Ду, Шиюй; Эклунд, Пер; Хультман, Ларс; Перссон, Пер ОА (2019-07-19). "Синтез MAX-фаз Nb2CuC и Ti2(Al0.1Cu0.9)N с помощью реакции замещения A-сайта в расплавленных солях". arXiv : 1907.08405 [cond-mat.mtrl-sci].
  24. ^ Барсум, М. В. (2000). «Фазы Mn+1AXn: новый класс твердых тел; термодинамически стабильные наноламинаты» (PDF) . Prog. Solid State Chem . 28 : 201–281 . doi :10.1016/S0079-6786(00)00006-6.
  25. ^ Барсум, М. В. (2006) «Физические свойства МАХ-фаз» в Энциклопедии материаловедения и технологий , под ред. К. Дж. Бушоу. Elsevier, Амстердам.
  26. ^ Басу, Бикрамджит; Кантеш Балани (2011). Передовая структурная керамика . Уайли. ISBN 978-0470497111.
  27. ^ Magnuson, M.; Mattesini, M. (2017). «Химическая связь и электронная структура в MAX-фазах с точки зрения рентгеновской спектроскопии и теории функционала плотности». Thin Solid Films . 621 : 108–130 . arXiv : 1612.04398 . Bibcode : 2017TSF...621..108M. doi : 10.1016/j.tsf.2016.11.005. S2CID  119404316.
  28. ^ Music, D.; Schneider, JM (2007). «Корреляция между электронной структурой и упругими свойствами наноламинатов». JOM . 59 (7): 60. Bibcode :2007JOM....59g..60M. doi :10.1007/s11837-007-0091-7. S2CID  135558323.
  29. ^ Эммерлих, Дж.; Мьюзик, Д.; Браун, М.; Фаек, П.; Мунник, Ф.; Шнайдер, Дж. М. (2009). «Предложение о необычно жестком и умеренно пластичном твердом материале покрытия: Mo 2 BC». Журнал физики D: Прикладная физика . 42 (18): 185406. Bibcode : 2009JPhD...42r5406E. doi : 10.1088/0022-3727/42/18/185406. S2CID  122029994.
  30. ^ Takahashi, T.; Music, D.; Schneider, JM (2012). "Влияние магнитного упорядочения на упругие свойства PdFe 3 N". Журнал вакуумной науки и технологии A. 30 ( 3): 030602. Bibcode : 2012JVSTA..30c0602T. doi : 10.1116/1.4703897.
  31. ^ Магнусон, М. (2006). «Электронная структура и химическая связь в Ti2AlC, исследованная методом мягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии». Phys. Rev. B. 74 ( 19): 195108. arXiv : 1111.2910 . Bibcode : 2006PhRvB..74s5108M. doi : 10.1103/PhysRevB.74.195108. S2CID  117094434.
  32. ^ ab Tallman, Darin J. (2013). «Критический обзор окисления Ti2AlC, Ti3AlC2 и Cr2AlC на воздухе». Materials Research Letters . 1 (3): 115– 125. doi : 10.1080/21663831.2013.806364 .
  33. ^ Магнусон, М. (2012). "Электронно-структурное происхождение анизотропной термоЭДС наноламинированного Ti 3 SiC 2, определенное с помощью поляризованной рентгеновской спектроскопии и измерений Зеебека". Phys. Rev. B . 85 (19): 195134. arXiv : 1205.4993 . Bibcode :2012PhRvB..85s5134M. doi :10.1103/PhysRevB.85.195134. S2CID  29492896.
  34. ^ Гилберт, К. Дж. (2000). «Рост усталостных трещин и свойства разрушения крупнозернистого и мелкозернистого Ti3SiC2» (PDF) . Scripta Materialia . 238 (2): 761– 767. doi :10.1016/S1359-6462(99)00427-3.
  35. ^ Guitton, A.; Joulain, A.; Thilly, L. & Tromas, C. (2014). "Доказательства дислокационного поперечного скольжения в MAX-фазе, деформированной при высокой температуре". Sci. Rep . 4 : 6358. Bibcode :2014NatSR...4E6358G. doi :10.1038/srep06358. PMC 4163670 . PMID  25220949. 
  36. ^ Ю, В.; Геноле, Ж.; Ганбая, Дж.; Валлет, М. и Гиттон, А. (2021). «Откровенная частичная дислокация в фазе Ti2AlC-MAX, вызванная диффузией матрицы-Cu» (PDF) . Скр. Мэтр . 19 : 34–39 . doi :10.1016/j.scriptamat.2020.09.007. S2CID  224922951.
  37. ^ Barsoum, MW & El-Raghy, T. (1999). "Ковкие карбиды при комнатной температуре". Metallurgical and Materials Transactions A. 30 ( 2): 363– 369. Bibcode : 1999MMTA...30..363B. doi : 10.1007/s11661-999-0325-0. S2CID  136828800.
  38. ^ Barsoum, MW; Farber, L.; El-Raghy, T. & Levin, I. (1999). "Дислокации, полосы изгиба и пластичность Ti 3 SiC 2 при комнатной температуре ". Met. Mater. Trans . 30A (7): 1727– 1738. Bibcode : 1999MMTA...30.1727B. doi : 10.1007/s11661-999-0172-z. S2CID  137467860.
  39. ^ Guitton, A.; Joulain, A.; Thilly, L. & Tromas, C. (2012). "Анализ дислокаций Ti2AlN, деформированного при комнатной температуре под ограничивающим давлением" (PDF) . Philosophical Magazine . 92 (36): 4536– 4546. Bibcode :2012PMag...92.4536G. doi :10.1080/14786435.2012.715250. S2CID  137436803.
  40. ^ Guitton, A.; Van Petegem, S.; Tromas, C.; Joulain, A.; Van Swygenhoven, H. & Thilly, L. (2014). «Влияние анизотропии микроструктуры на деформацию поликристаллов MAX, изученных методом сжатия in-situ в сочетании с дифракцией нейтронов». Applied Physics Letters . 104 (24): 241910. Bibcode : 2014ApPhL.104x1910G. doi : 10.1063/1.4884601.
  41. ^ Фарл, А. (2016). «Демонстрация самовосстанавливающегося поведения некоторых выбранных керамических материалов в условиях камеры сгорания». Smart Materials and Structures . 25 (8): 084019. Bibcode : 2016SMaS...25h4019F. doi : 10.1088/0964-1726/25/8/084019 .
  42. ^ Хоффман, Элизабет (2012). «Карбиды и нитриды MAX-фазы: свойства для будущих применений в активной зоне атомных электростанций и анализа нейтронной трансмутации». Ядерная инженерия и проектирование . 244 : 17–24 . doi :10.1016/j.nucengdes.2011.12.009.
  43. ^ Хоффман, Элизабет (2008). «Микро- и мезопористость углерода, полученного из тройных и бинарных карбидов металлов». Микропористые и мезопористые материалы . 112 ( 1–3 ): 526–532 . doi :10.1016/j.micromeso.2007.10.033.
  44. ^ Нагиб, Майкл (2011). «Двумерные нанокристаллы, полученные путем расслоения Ti 3 AlC 2 ». Advanced Materials . 23 (37): 4248– 53. Bibcode :2011AdM....23.4248N. CiteSeerX 10.1.1.497.9340 . doi :10.1002/adma.201102306. PMID  21861270. S2CID  6873357. 
Получено с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=MAX_phases&oldid=1238210444"