Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эти фазы MAX являются слоистыми, гексагональной карбиды и нитриды , которые имеют общую формулу: М п + 1 АХ п , (МАКС) , где п = 1 до 4, [1] и М представляет собой ранний переходный металл, А является А-группой (в основном IIIA и IVA или группы 13 и 14) элемент, а X представляет собой углерод и / или азот . Слоистая структура состоит из искаженных октаэдров XM 6 с разделенными краями, чередующихся 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.

История [ править ]

В 1960-е годы Х. Новотны и его сотрудники открыли большое семейство тройных слоистых карбидов и нитридов, которые они назвали «H-фазами» [3] [4] [5] [6], ныне известными как «211». Фазы MAX (т.е. n = 1) и несколько фаз MAX 312. [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 выявили путем исследования, что он обладает отличным сочетанием некоторых из лучших свойств металлов и технической керамики. [10]В 1999 году они также синтезировали Ti 4 AlN 3 (т.е. MAX-фазу «413») и поняли, что имеют дело с гораздо большим семейством твердых тел, которые ведут себя одинаково. В 2020 году была опубликована Mo 4 VAlC 4 (т.е. фаза «514» MAX), первое крупное расширение определения семьи за более чем двадцать лет. [1] С 1996 года, 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 [ править ]

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, самораспространяющееся высокотемпературное синтез (СВС), реактивное спекание, искровое плазменное спекание, механическое легирование и реакции в солевом расплаве. [14] [15] [16] [17] [18] [19] Метод замещения элементов в расплавленных солях разработан для получения серий M n + 1 ZnX n и M n + 1 CuX n MAX фаз. [20] [21] [22] [23]

Свойства [ править ]

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, сопротивление тепловому удару, устойчивость к повреждениям, [11] обрабатываемость, высокая упругая жесткость и низкие коэффициенты теплового расширения. Некоторые фазы MAX 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, 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, такие как Mo 2 BC [29] и PdFe 3 N. [30]

Электрика [ править ]

Фазы MAX являются электрически и термически проводом щим из - за металлическую как характер их соединения . Большинство фаз MAX являются лучшими электрическими и тепловыми проводниками, чем Ti. Это также связано с электронной структурой. [31]

Физический [ править ]

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 из них, 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 [ править ]

Фазы MAX как класс обычно жесткие, легкие и пластичные при высоких температурах. Из-за слоистой атомной структуры 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 (свидетельства того, что a-дислокации вне базисной плоскости и поперечное скольжение дислокаций были недавно зарегистрированы в MAX-фазе, деформированной при высокой температуре [35], и частичные c-дислокации Франка, вызванные диффузией Cu-матрицы. также сообщалось [36]), сочетание деформации полосы перегиба и сдвига и расслоения отдельных зерен. [37] [38] [39] В ходе механических испытаний было обнаружено, что поликристаллический Ti 3 SiC 2Цилиндры 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 [ править ]

  • 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 углерода на основе карбида [43]
  • Прекурсор для синтеза MXenes , семейства двумерных карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов [44]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b 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 фазы Mo 4 VAlC 4 MAX и двумерного Mo 4 VC 4 MXene с пятью атомными слоями переходных металлов». ACS Nano . 14 (1): 204–217. DOI : 10.1021 / acsnano.9b07708 . PMID  31804797 .
  2. ^ Эклунд, П .; Beckers, M .; Jansson U .; Högberg, H .; Халтман, Л. (2010). « Фазы M n + 1 AX n : 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 .; Новотны, Х .; Бенесовский, Ф. (1964-08-01). «Карбиды формулы T2MC». Журнал менее распространенных металлов . 7 (2): 133–138. DOI : 10.1016 / 0022-5088 (64) 90055-4 .
  4. ^ Шустер, JC; 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. ^ Jeitschko, W .; Новотны, Х .; Бенесовский, Ф. (1963-11-01). «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. ^ 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 языке). 95 (2): 431–435. DOI : 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 языке). 98 (2): 329–337. DOI : 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 языке). 98 (6): 2403–2405. DOI : 10.1007 / bf00902438 . ISSN 0343-7329 . 
  9. ^ Goto, T .; Хираи, Т. (1987-09-01). «Химически осажденный Ti3SiC2 из паровой фазы». Бюллетень материаловедения . 22 (9): 1195–1201. DOI : 10.1016 / 0025-5408 (87) 90128-0 .
  10. ^ Барсум, Мишель В .; Эль-Раги, Укротитель (1996-07-01). «Синтез и характеристика замечательной керамики: Ti 3 SiC 2 ». Варенье. Ceram. Soc . 79 (7): 1953–1956. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1996.tb08018.x . ISSN 1551-2916 . 
  11. ^ а б в г Ханаор, ДАХ; Hu, L .; Кан, WH; Пруст, Г .; Foley, M .; Караман, И .; Радович, М. (2016). « Характеристики сжатия и распространение трещин в композитах Al сплав / Ti 2 AlC». Материаловедение и инжиниринг . 672 : 247–256. arXiv : 1908.08757 . DOI : 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. Sci . 21 (2): 14–16. DOI : 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). «Зависимость от состава эпитаксиальных тонких пленок MAX-фазы Ti n + 1 SiC n, выращенных из составной мишени Ti 3 SiC 2 » . J. Vac. Sci. Technol. . 37 (2): 021506. arXiv : 1901.05904 . Bibcode : 2019JVSTA..37b1506M . DOI : 10.1116 / 1.5065468 . ISSN 0734-2101 . S2CID 104356941 .  
  14. ^ Инь, Си; Чен, Кексин; Чжоу, Хэпин; Нин, Сяошань (август 2010 г.). «Синтез горением композитов Ti 3 SiC 2 / 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. ^ 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. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1995.tb08230.x .
  17. ^ Гао, NF; Миямото, Ю .; Чжан, Д. (1999). «Плотный Ti 3 SiC 2, полученный реактивным ГИП». 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. ^ 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 : 2019NatMa..18..465D . DOI : 10.1038 / s41563-019-0328-1 . ISSN 1476-4660 . PMID 30936480 . S2CID 91188246 .   
  20. ^ Миан, 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 A-сайта» . Журнал неорганических материалов . 34 (1): 60. DOI : 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 . DOI : 10.1021 / jacs.9b00574 . PMID 30821963 . S2CID 73507099 . Проверено 9 мая 2019 .  
  22. ^ Ли, Юбинг; Ли, Миан; Лу, Джун; Ма, Баокай; Ван, Чжипан; Чеонг, Лин-Чжи; Луо, Кан; Чжа, Сяньху; Чен, Кэ (2019-07-24). «Активные слои толщиной в один атом, реализованные в наноламинированном Ti 3 (Al x Cu 1– x) C 2, и его искусственное ферментное поведение». ACS Nano . 13 (8): 9198–9205. DOI : 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. ^ Barsoum, MW (2000). « Фазы M n + 1 AX n : новый класс твердых тел; термодинамически стабильные наноламинаты» (PDF) . Прог. Solid State Chem . 28 : 201–281. DOI : 10.1016 / S0079-6786 (00) 00006-6 .
  25. ^ Barsoum, MW (2006) "Физические свойства фаз MAX" в Энциклопедии материаловедения и технологий , KHJ Buschow (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 . DOI : 10.1016 / j.tsf.2016.11.005 . S2CID 119404316 . 
  28. ^ Музыка, D .; Шнайдер, JM (2007). «Взаимосвязь электронной структуры и упругих свойств наноламинатов». JOM . 59 (7): 60. Bibcode : 2007JOM .... 59g..60M . DOI : 10.1007 / s11837-007-0091-7 . S2CID 135558323 . 
  29. ^ Emmerlich, J .; Музыка, D .; Браун, М .; Fayek, P .; Munnik, F .; Шнайдер, JM (2009). «Предложение по необычно жесткому и умеренно пластичному твердому покрытию: Mo 2 BC». Журнал физики D: Прикладная физика . 42 (18): 185406. Bibcode : 2009JPhD ... 42r5406E . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 42/18/185406 .
  30. ^ Takahashi, T .; Музыка, D .; Шнайдер, JM (2012). «Влияние магнитного упорядочения на упругие свойства PdFe 3 N». Журнал вакуумной науки и техники А . 30 (3): 030602. Bibcode : 2012JVSTA..30c0602T . DOI : 10.1116 / 1.4703897 .
  31. ^ Магнусон, М. (2006). «Электронная структура и химическая связь в Ti 2 AlC исследованы 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. ^ a b Таллман, Дарин Дж. (2013). «Критический обзор окисления Ti2AlC, Ti3AlC2 и Cr2AlC на воздухе» . Письма о материаловедении . 1 (3): 115–125. DOI : 10.1080 / 21663831.2013.806364 .
  33. ^ Магнусон, М. (2012). «Электронная структура происхождения анизотропной термоЭДС наноламинированного Ti 3 SiC 2, определенная 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. Перейти ↑ Gilbert, CJ (2000). "Рост усталостной трещины и свойства разрушения крупнозернистого и мелкозернистого Ti 3 SiC 2 " (PDF) . Scripta Materialia . 238 (2): 761–767. DOI : 10.1016 / S1359-6462 (99) 00427-3 .
  35. ^ Guitton, A .; Joulain, A .; Тилли, Л. и Тромас, К. (2014). «Свидетельства поперечного скольжения дислокаций в МАХ фазе, деформированной при высокой температуре» . Sci. Rep . 4 : 6358. Bibcode : 2014NatSR ... 4E6358G . DOI : 10.1038 / srep06358 . PMC 4163670 . PMID 25220949 .  
  36. ^ Yu, W .; Guénolé, J .; Ghanbaja, J .; Валле, М. и Гиттон, А. (2021). «Частичная дислокация Франка в фазе Ti 2 AlC-MAX, индуцированная диффузией матрицы-Cu» (PDF) . Scr. Mater . 19 : 34–39. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2020.09.007 .
  37. ^ Barsoum, МВт & Эль-Raghy, Т. (1999). «Вязкие карбиды при комнатной температуре». Металлургическая и Транзакции материалов A . 30 (2): 363–369. Bibcode : 1999MMTA ... 30..363B . DOI : 10.1007 / s11661-999-0325-0 . S2CID 136828800 . 
  38. ^ Барсум, МВт; Farber, L .; Эль-Раги Т. и Левин И. (1999). «Дислокации, полосы перегиба и пластичность Ti 3 SiC 2 при комнатной температуре ». Встретились. Mater. Пер . 30А (7): 1727–1738. Bibcode : 1999MMTA ... 30.1727B . DOI : 10.1007 / s11661-999-0172-Z . S2CID 137467860 . 
  39. ^ Guitton, A .; Joulain, A .; Тилли, Л. и Тромас, К. (2012). «Дислокационный анализ Ti 2 AlN, деформированного при комнатной температуре под ограничивающим давлением». Философский журнал . 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 .; 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 : 2014ApPhL.104x1910G . DOI : 10.1063 / 1.4884601 .
  41. ^ Farle, А (2016). «Демонстрация самовосстановления некоторых выбранных керамических материалов в условиях камеры сгорания» . Умные материалы и конструкции . 25 (8): 084019. Полномочный код : 2016SMaS ... 25h4019F . DOI : 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. DOI : 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. DOI : 10.1016 / j.micromeso.2007.10.033 .
  44. ^ Нагиб, Майкл (2011). « Двумерные нанокристаллы, полученные расслоением Ti 3 AlC 2 ». Современные материалы . 23 (37): 4248–53. CiteSeerX 10.1.1.497.9340 . DOI : 10.1002 / adma.201102306 . PMID 21861270 .