Фазы топологически плотной упаковки ( TCP ) , также известные как фазы Франка-Каспера (FK), являются одной из крупнейших групп интерметаллических соединений, известных своей сложной кристаллографической структурой и физическими свойствами. Благодаря сочетанию периодической и апериодической структуры некоторые TCP-фазы относятся к классу квазикристаллов . Освещены применения фаз TCP в качестве высокотемпературных конструкционных и сверхпроводящих материалов; однако они еще недостаточно исследованы для получения подробной информации об их физических свойствах. Кроме того, их сложные и часто нестехиометрические структура делает их хорошими предметами для теоретических расчетов.
История
В 1958 году Франк и Каспер в своей оригинальной работе по исследованию многих сложных структур сплава [1] [2] показали, что неикосаэдрические среды образуют открытую сеть, которую они назвали основным скелетом, и теперь идентифицируется как локус склонения. . Они разработали методику упаковки асимметричных икосаэдров в кристаллы с использованием других многогранников с большим координационным числом и атомами. Эти координационные многогранники были построены для поддержания топологической плотной упаковки (TCP). [3]
Классификация геометрии элементарной ячейки
На основе тетраэдрических единиц кристаллографические структуры FK подразделяются на группы с низким и высоким полиэдром, которые обозначаются их координационными числами (CN), относящимися к числу атомов, центрирующих многогранник. Некоторые атомы имеют икосаэдрическую структуру с низкой координацией, обозначенную CN12. Некоторые другие имеют более высокие координационные числа 14, 15 и 16, обозначенные CN14, CN15 и CN16 соответственно. Эти атомы с более высокими координационными числами образуют непрерывные сети, соединенные вдоль направлений, где пятикратная икосаэдрическая симметрия заменяется шестикратной локальной симметрией. [4]
Классические фазы FK
Наиболее распространенными членами семейства FK-фаз являются: A15 , фазы Лавеса , σ, μ, M, P и R.
Фазы A15
Фазы A15 представляют собой интерметаллические сплавы со средним координационным числом (ACN) 13,5 и восемью атомами стехиометрии A 3 B на элементарную ячейку, где два атома B окружены полиэдром CN12 (икосаэдрами), а шесть атомов A окружены полиэдром CN14. Nb 3 Ge - сверхпроводник со структурой A15.
Фазы Лавеса
Три фазы Лавеса представляют собой интерметаллические соединения, состоящие из полиэдров CN12 и CN16 со стехиометрией AB 2 , обычно наблюдаемые в бинарных металлических системах, таких как MgZn 2 . Из-за малой растворимости структур AB 2 фазы Лавеса представляют собой почти линейные соединения, хотя иногда они могут иметь широкую область гомогенности.
σ, μ, M, P и R фазы
Сигма (σ) фаза представляет собой интерметаллическое соединение, известное как соединение без определенного стехиометрического состава и образующееся в диапазоне отношения электрон / атом от 6,2 до 7. Он имеет примитивную тетрагональную элементарную ячейку с 30 атомами. CrFe - это типичный сплав, кристаллизующийся в σ-фазе при эквиатомном составе. С физическими свойствами, регулируемыми в зависимости от его структурных компонентов, или его химического состава при условии заданной структуры.
Μ-фаза имеет идеальную стехиометрию A 6 B 7 с ее прототипом W 6 Fe 7 , содержащим ромбоэдрическую ячейку с 13 атомами. Хотя были идентифицированы многие другие типы сплавов Франка-Каспера, их продолжают находить. Сплав Nb 10 Ni 9 Al 3 является прототипом М-фазы. Он имеет орторомбическую пространственную группу с 52 атомами в элементарной ячейке. Сплав Cr 9 Mo 21 Ni 20 является прототипом для P-фазы. Он имеет примитивную орторомбическую ячейку с 56 атомами. Сплав Co 5 Cr 2 Mo 3 является прототипом R-фазы, которая принадлежит к ромбоэдрической пространственной группе с 53 атомами на ячейку. [5] [6]
Приложения
Материалы FK-фазы были отмечены за их высокотемпературную структуру и как сверхпроводящие материалы. Их сложная и часто нестехиометрическая структура делает их хорошими объектами для теоретических расчетов. A15, Laves и σ являются наиболее применимыми FK-структурами с интересными фундаментальными свойствами. Соединения A15 образуют важный интерметаллический сверхпроводник с основными приложениями в материалах, используемых в сверхпроводящих проводах, таких как: Nb 3 Sn, Nb 3 Zr и Nb 3 Ti. Большинство сверхпроводящих магнитов изготовлено из сплава Nb 3 Ti. [7] Небольшое количество σ-фазы значительно снижает гибкость и снижает эрозионную стойкость . Хотя добавление тугоплавких элементов, таких как W , Mo или Re, к фазам FK помогает улучшить термические свойства таких сплавов, как стали или суперсплавы на основе никеля , оно увеличивает риск нежелательного осаждения в интерметаллических соединениях. [8]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Франк, ФК; Каспер, JS (1958-03-10). «Сложные конструкции из сплавов, рассматриваемые как сферические насадки. I. Определения и основные принципы» . Acta Crystallographica . Международный союз кристаллографии (IUCr). 11 (3): 184–190. DOI : 10.1107 / s0365110x58000487 . ISSN 0365-110X .
- ^ Фрэнк, ФК; Каспер, JS (1959-07-10). «Сложные структуры сплавов, рассматриваемые как сферические насадки. II. Анализ и классификация представительных структур» . Acta Crystallographica . Международный союз кристаллографии (IUCr). 12 (7): 483–499. DOI : 10.1107 / s0365110x59001499 . ISSN 0365-110X .
- ^ Жубер, JM; Кривелло, JC (2012). «Нестехиометрия и моделирование Calphad фаз Франка-Каспера» . Прикладные науки . 2 (4): 669. DOI : 10,3390 / app2030669 .
- ^ Берн, С .; Sluiter, M .; Пастурел, А. (2002). «Теоретический подход к фазовому выделению тугоплавких металлов и сплавов». Журнал сплавов и соединений . 334 (1–2): 27–33. DOI : 10.1016 / S0925-8388 (01) 01773-X .
- ^ Graef, MD; Генри, М. Е. (2007) Структура материалов, Введение в кристаллографию, дифракцию и симметрию . Издательство Кембриджского университета. ISBN 1107005876 . стр. 518–536
- ^ Фрэнк, ФК; Каспер, JS (1958). «Сложные конструкции из сплавов, рассматриваемые как сферические насадки. I. Определения и основные принципы» . Acta Crystallographica . 11 (3): 184. DOI : 10,1107 / S0365110X58000487 .
- ^ Садок, JF; Моссери, Р. (1999) Геометрическое разочарование . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780511599934 . стр. 159–162
- ^ Crivello, JC; Брейди, А; Жубер, JM (2013). «Χ- и σ-фазы в бинарных системах рений-переходный металл: систематическое исследование из первых принципов». Неорганическая химия . 52 (7): 3674–86. DOI : 10.1021 / ic302142w . PMID 23477863 .