MAKSYMALNE fazy
Fazy MAX to warstwowe, heksagonalne węgliki i azotki, które mają wzór ogólny: M n+1 AX n , (MAX) gdzie n = 1 do 4, a M to wczesny metal przejściowy, A to grupa A (głównie IIIA i IVA lub grupy 13 i 14) pierwiastek i X oznacza albo węgiel i/lub azot . Warstwowa struktura składa się z dzielących krawędzie, zniekształconych ośmiościanów XM 6 przeplatanych pojedynczymi płaskimi warstwami elementu grupy A.
| 211 | Ti 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 PC, Nb 2 AsC, Zr 2 SC, Nb 2 SC, Hf 2 InC, Hf 2 TlC, Ta 2 AlC, Ta 2 GaC, Hf 2 SnC , Hf2PbC , Hf2SnN , Hf2SC , Zr2AlC , Ti2ZnC , Ti2ZnN , V2ZnC , Nb2CuC , Mn2GaC , Mo2AuC , Ti2AuN |
|---|---|
| 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 |
Mo 4 VAl C 4 |
Historia
W latach 60. H. Nowotny i współpracownicy odkryli dużą rodzinę trójskładnikowych, warstwowych węglików i azotków, które nazwali fazami „H”, obecnie znanymi jako fazy „211” MAX (tj. n = 1), oraz kilka Fazy „312” MAX. Późniejsze prace rozszerzyły się na fazy „312”, takie jak Ti 3 SiC 2 i wykazały, że mają one niezwykłe właściwości mechaniczne. W 1996 roku Barsoum i El-Raghy po raz pierwszy zsyntetyzowali w pełni gęsty i czysty fazowo Ti 3 SiC 2 i ujawnili, poprzez charakteryzację, że posiada on wyraźną kombinację jednych z najlepszych właściwości metali i ceramiki konstrukcyjnej. W 1999 roku zsyntetyzowali także Ti 4 AlN 3 (tj. faza „413” MAX) i zdali sobie sprawę, że mają do czynienia ze znacznie większą rodziną ciał stałych, z których wszystkie zachowują się podobnie. W 2020 r. Mo 4 VAl C 4 (tj. faza „514” MAX) została opublikowana, pierwsze duże rozszerzenie definicji rodziny od ponad dwudziestu lat. Od 1996 roku, kiedy opublikowano pierwszą „nowoczesną” pracę na ten temat, poczyniono ogromne postępy w zrozumieniu właściwości tych faz. Od 2006 roku badania koncentrowały się na wytwarzaniu, charakteryzowaniu i wdrażaniu kompozytów, w tym materiałów fazy MAX. Takie systemy, w tym kompozyty fazy aluminium-MAX, mają zdolność dalszej poprawy plastyczności i wytrzymałości w porównaniu z czystym materiałem fazy MAX.
Synteza
Synteza trójskładnikowych związków i kompozytów fazy MAX została zrealizowana różnymi metodami, w tym syntezą spalania, chemicznym osadzeniem z fazy gazowej, fizycznym osadzeniem z fazy gazowej w różnych temperaturach i prędkościach strumienia, topieniem łukowym, prasowaniem izostatycznym na gorąco, samorozwijającą się syntezą wysokotemperaturową (SHS ), spiekanie reaktywne, spiekanie iskrowe, mechaniczne stapianie i reakcja w stopionej soli. Opracowano metodę zastępowania pierwiastków w stopionych solach w celu uzyskania szeregu faz M n+1 ZnX n i M n+1 CuX n MAX.
Nieruchomości
Te węgliki i azotki mają niezwykłą kombinację właściwości chemicznych, fizycznych, elektrycznych i mechanicznych, wykazując właściwości zarówno metaliczne, jak i ceramiczne w różnych warunkach. Należą do nich wysoka przewodność elektryczna i cieplna, odporność na szok termiczny, tolerancja na uszkodzenia, obrabialność, wysoka sztywność sprężysta i niskie współczynniki rozszerzalności cieplnej. Niektóre fazy MAX są również bardzo odporne na działanie środków chemicznych (np. Ti 3 SiC 2 ) i utlenianie w wysokiej temperaturze w powietrzu (Ti 2 AlC, Cr 2 AlC i Ti 3 AlC 2 ). Są przydatne w technologiach obejmujących silniki o wysokiej sprawności, układy termiczne odporne na uszkodzenia, zwiększające odporność na zmęczenie i zachowujące sztywność w wysokich temperaturach. Właściwości te można powiązać ze strukturą elektronową i wiązaniami chemicznymi w fazach MAX. Można to opisać jako okresową zmianę obszarów o wysokiej i niskiej gęstości elektronowej. Pozwala to na projektowanie innych nanolaminatów w oparciu o podobieństwa struktury elektronowej, takich jak Mo 2 BC i PdFe 3 N.
Elektryczny
Fazy MAX przewodzą prąd elektryczny i ciepło ze względu na metaliczny charakter ich wiązania . Większość faz MAX jest lepszymi przewodnikami elektrycznymi i cieplnymi niż Ti. Jest to również związane ze strukturą elektroniczną.
Fizyczny
Chociaż fazy MAX są sztywne, można je obrabiać tak łatwo, jak niektóre metale. Wszystkie można obrabiać ręcznie piłą do metalu, mimo że niektóre z nich są trzykrotnie sztywniejsze od tytanu i mają taką samą gęstość jak tytan. Można je również polerować do uzyskania metalicznego połysku ze względu na ich doskonałe przewodnictwo elektryczne. Nie są podatne na szok termiczny i są wyjątkowo odporne na uszkodzenia. Niektóre, takie jak Ti 2 AlC i Cr 2 AlC, są odporne na utlenianie i korozję. Polikrystaliczny Ti 3 SiC 2 ma zerową moc cieplną , cecha, która jest skorelowana z ich anizotropową strukturą elektronową.
Mechaniczny
Fazy MAX jako klasa są na ogół sztywne, lekkie i plastyczne w wysokich temperaturach. Ze względu na warstwową strukturę atomową tych związków, niektóre, takie jak Ti 3 SiC 2 i Ti 2 AlC, są również odporne na pełzanie i zmęczenie oraz zachowują swoją wytrzymałość w wysokich temperaturach. Wykazują unikalne odkształcenie charakteryzujące się poślizgiem podstawy (dowody na dyslokacje a poza płaszczyzną podstawową i poślizgi poprzeczne dyslokacji zostały ostatnio zgłoszone w fazie MAX zdeformowanej w wysokiej temperaturze i częściowe dyslokacje c Franka wywołane dyfuzją matrycy Cu również zostały zgłoszone ), kombinacja deformacji załamań i pasm ścinania oraz rozwarstwień poszczególnych ziaren. Podczas testów mechanicznych stwierdzono, że polikrystaliczny Ti 3 SiC 2 Cylindry mogą być wielokrotnie ściskane w temperaturze pokojowej, aż do naprężeń 1 GPa i całkowicie odzyskiwane po usunięciu obciążenia, rozpraszając 25% energii. Charakteryzując te unikalne właściwości mechaniczne faz MAX, odkryto załamania nieliniowych ciał stałych. Mikromechanizmem odpowiedzialnym za te właściwości jest incipient kink band (IKB). Jednak nie uzyskano jeszcze żadnych bezpośrednich dowodów na istnienie tych IKB, co pozostawia otwarte drzwi dla innych mechanizmów, które są mniej głodne założeń. Rzeczywiście, ostatnie badanie pokazuje, że odwracalne pętle histeretyczne podczas cykli polikryształów MAX można równie dobrze wyjaśnić złożoną odpowiedzią bardzo anizotropowej mikrostruktury płytkowej.
Potencjalne aplikacje
- Wytrzymałe, obrabialne, odporne na szok termiczny materiały ogniotrwałe
- Wysokotemperaturowe elementy grzejne
- Powłoki do styków elektrycznych
- Części odporne na promieniowanie neutronowe do zastosowań jądrowych
- Prekursor do syntezy węgla węglikopochodnego
- Prekursor do syntezy MXenes , rodziny dwuwymiarowych węglików, azotków i węglikoazotków metali przejściowych