Fazy Franka-Kaspera
.png)
Fazy topologicznie bliskiego upakowania ( TCP ) , znane również jako fazy Franka-Kaspera (FK), są jedną z największych grup związków międzymetalicznych , znanych ze swojej złożonej struktury krystalograficznej i właściwości fizycznych. Ze względu na połączenie budowy okresowej i aperiodycznej, niektóre fazy TCP należą do klasy kwazikryształów . Zastosowania faz TCP jako wysokotemperaturowych strukturalnych i nadprzewodzących wyróżniono materiały; jednak nie zostały jeszcze wystarczająco zbadane pod kątem szczegółów ich właściwości fizycznych. Również ich złożona i często niestechiometryczna struktura sprawia, że są dobrymi przedmiotami do obliczeń teoretycznych.
Historia
W 1958 roku Frederick C. Frank i John S. Kasper w swojej oryginalnej pracy badającej wiele złożonych struktur stopowych wykazali, że środowiska inne niż dwudziestościenne tworzą otwartą sieć, którą nazwali głównym szkieletem, a obecnie jest identyfikowana jako miejsce deklinacji . Opracowali metodologię upakowania asymetrycznych dwudziestościanów w kryształy przy użyciu innych wielościanów o większych liczbach koordynacyjnych . Te wielościany koordynacyjne zostały skonstruowane w celu utrzymania ścisłego upakowania topologicznego (TCP).
Klasyfikacja geometrii komórek elementarnych
W oparciu o jednostki tetraedryczne struktury krystalograficzne FK dzielą się na niskie i wysokie grupy wielościenne oznaczone ich liczbami koordynacyjnymi (CN) odnoszącymi się do liczby atomów centrujących wielościan. Niektóre atomy mają dwudziestościan struktura o niskiej koordynacji, oznaczona jako CN12. Niektóre inne mają wyższe liczby koordynacyjne 14, 15 i 16, oznaczone odpowiednio jako CN14, CN15 i CN16. Te atomy o wyższych liczbach koordynacyjnych tworzą nieprzerwane sieci połączone wzdłuż kierunków, w których pięciokrotna symetria dwudziestościenna jest zastępowana sześciokrotną symetrią lokalną. Miejsca o 12-krotnej koordynacji nazywane są mniejszymi, a te o ponad 12-krotnej koordynacji są głównymi.
Klasyczne fazy FK
Najczęstszymi członkami rodziny faz FK są: A15 , fazy Lavesa , σ, μ, M, P i R.
Fazy A15
Fazy A15 to stopy międzymetaliczne o średniej liczbie koordynacyjnej (ACN) 13,5 i ośmiu atomach stechiometrycznych A3B na komórkę elementarną, gdzie dwa atomy B są otoczone wielościanem CN12 (icosahedra), a sześć atomów A jest otoczonych wielościanem CN14. Nb 3 Ge jest nadprzewodnikiem o strukturze A15.
Fazy Lavesa
Trzy fazy Lavesa są związkami międzymetalicznymi złożonymi z wielościanów CN12 i CN16 o stechiometrii AB2, powszechnie spotykanych w podwójnych układach metali, takich jak MgZn2 . Ze względu na małą rozpuszczalność struktur AB 2 fazy Lavesa są związkami prawie liniowymi, choć czasami mogą mieć szeroki obszar jednorodności.
Fazy σ, μ, M, P i R
Faza sigma (σ) jest związkiem międzymetalicznym znanym jako ten, który nie ma określonego składu stechiometrycznego i powstaje przy stosunku elektron /atom w zakresie od 6,2 do 7. Ma prymitywną tetragonalną komórkę elementarną z 30 atomami. CrFe jest typowym stopem krystalizującym w fazie σ przy składzie równoatomowym. Z właściwościami fizycznymi regulowanymi w zależności od jego składników strukturalnych lub składu chemicznego pod warunkiem określonej struktury.
Faza μ ma idealną stechiometrię A 6 B 7 , a jej prototyp W 6 Fe 7 zawiera romboedryczną komórkę z 13 atomami. Chociaż zidentyfikowano wiele innych typów stopów Franka-Kaspera, wciąż znajduje się ich więcej. Stop Nb 10 Ni 9 Al 3 jest prototypem fazy M. Ma rombową grupę przestrzenną z 52 atomami na komórkę elementarną. Stop Cr 9 Mo 21 Ni 20 jest prototypem fazy P. Ma prymitywną komórkę rombową z 56 atomami. Stop Co 5 Cr 2 Mo 3 jest prototypem fazy R, która należy do romboedrycznej grupy przestrzennej z 53 atomami w komórce.
Aplikacje
Materiały fazowe FK zostały wskazane ze względu na ich strukturę wysokotemperaturową i jako materiały nadprzewodzące. Ich złożona i często niestechiometryczna struktura czyni je dobrymi przedmiotami do obliczeń teoretycznych. A15, Laves i σ to najbardziej odpowiednie struktury FK o interesujących podstawowych właściwościach. Związki A15 tworzą ważny nadprzewodnik międzymetaliczny o głównych zastosowaniach w materiałach stosowanych w drutach do nadprzewodnictwa, takich jak: Nb 3 Sn, Nb 3 Zr i Nb 3 Ti. Większość magnesów nadprzewodzących jest zbudowana z Nb 3 Stop tytanu. Niewielki zasięg fazy σ znacznie zmniejsza elastyczność i pogorszenie odporności na erozję . O ile dodatek pierwiastków ogniotrwałych takich jak W , Mo , czy Re do faz FK poprawia właściwości termiczne takich stopów jak stale czy nadstopy na bazie niklu , o tyle zwiększa ryzyko niepożądanych wydzieleń w związkach międzymetalicznych.