stringtranslate.com

Фазы Франка–Каспера

Элементарная ячейка фаз A15 Nb 3 Sn
Элементарная ячейка фазы Лавеса со структурой MgZn2 ( атомы Mg обозначены зеленым).
Проекция элементарной ячейки сигма-фазы со структурой CrFe вдоль оси c
Элементарная ячейка μ-фазы со структурой W 6 Fe 7, спроецированная вдоль оси c.

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 фазы TCP относятся к классу квазикристаллов . Были освещены применения фаз TCP в качестве высокотемпературных структурных и сверхпроводящих материалов; однако они еще недостаточно исследованы для деталей их физических свойств. Кроме того, их сложная и часто нестехиометрическая структура делает их хорошими объектами для теоретических расчетов.

История

В 1958 году Фредерик К. Франк и Джон С. Каспер в своей оригинальной работе, исследующей множество сложных структур сплавов , [1] [2] показали, что неикосаэдрические среды образуют открытую сеть, которую они назвали основным скелетом, и которая теперь идентифицируется как локус склонения. Они придумали методологию упаковки асимметричных икосаэдров в кристаллы с использованием других многогранников с большими координационными числами . Эти координационные многогранники были построены для поддержания топологической плотной упаковки (TCP). [3]

Классификация геометрий элементарных ячеек

На основе тетраэдрических единиц кристаллографические структуры FK классифицируются на низко- и высокополиэдрические группы, обозначаемые их координационными числами (CN), относящимися к числу атомов, центрирующих полиэдр. 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] Места 12-координации называются второстепенными сайтами, а те, у которых координация больше 12, — основными сайтами. [1]

Классические фазы FK

Наиболее распространенными членами семейства FK-фаз являются: A15 , фазы Лавеса , σ, μ, M, P и R.

Фазы А15

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 полиэдрами CN12 (икосаэдрами), а шесть атомов A окружены полиэдрами 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 встречающиеся в бинарных металлических системах, таких как MgZn 2 . Из-за малой растворимости структур AB 2 фазы Лавеса являются почти линейными соединениями, хотя иногда они могут иметь широкую область гомогенности.

Фазы σ, μ, M, P и R

Фаза сигма (σ) — это интерметаллическое соединение, известное как соединение без определенного стехиометрического состава, образующееся в диапазоне соотношений электрон /атом от 6,2 до 7. Оно имеет примитивную тетрагональную элементарную ячейку с 30 атомами. CrFe — типичный сплав, кристаллизующийся в фазе σ при эквиатомном составе. С физическими свойствами, регулируемыми на основе его структурных компонентов, или его химическим составом, обеспечивающим заданную структуру.

Фаза μ имеет идеальную стехиометрию A 6 B 7 с ее прототипом W 6 Fe 7 , содержащим ромбоэдрическую ячейку с 13 атомами. Хотя было идентифицировано много других типов сплавов Франка-Каспера, продолжают находить все больше. Сплав Nb 10 Ni 9 Al 3 является прототипом для фазы M. Он имеет орторомбическую пространственную группу с 52 атомами на элементарную ячейку. Сплав Cr 9 Mo 21 Ni 20 является прототипом для фазы P. Он имеет примитивную орторомбическую ячейку с 56 атомами. Сплав Co 5 Cr 2 Mo 3 является прототипом для фазы R, которая принадлежит к ромбоэдрической пространственной группе с 53 атомами на ячейку. [5] [1]

Приложения

Материалы фазы FK были отмечены за их высокотемпературную структуру и как сверхпроводящие материалы. Их сложная и часто нестехиометрическая структура делает их хорошими объектами для теоретических расчетов. A15, Лавес и σ являются наиболее применимыми структурами FK с интересными фундаментальными свойствами.

Соединения A15 включают важные интерметаллические сверхпроводники , такие как: Nb 3 Sn , Nb 3 Al и V 3 Ga, которые применяются в производстве проводов для сверхпроводящих магнитов с высоким полем. [6] Nb 3 Sn также исследуется как потенциальный материал для изготовления сверхпроводящих радиочастотных резонаторов.

Небольшие размеры σ-фазы значительно снижают гибкость и ухудшают эрозионную стойкость . В то время как добавление тугоплавких элементов, таких как W , Mo или Re, к фазам FK помогает улучшить термические свойства в таких сплавах, как стали или суперсплавы на основе никеля , это увеличивает риск нежелательного осаждения в интерметаллических соединениях. [7]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Frank, FC; Kasper, JS (1958-03-10). «Сложные структуры сплавов, рассматриваемые как упаковки сфер. I. Определения и основные принципы». Acta Crystallographica . 11 (3). Международный союз кристаллографии (IUCr): 184–190. doi : 10.1107/s0365110x58000487 . ISSN  0365-110X.
  2. ^ Франк, ФК; Каспер, Дж. С. (1959-07-10). «Сложные структуры сплавов, рассматриваемые как упаковки сфер. II. Анализ и классификация представительных структур». Acta Crystallographica . 12 (7). Международный союз кристаллографии (МСКР): 483–499. doi : 10.1107/s0365110x59001499 . ISSN  0365-110X.
  3. ^ Жубер, Дж. М.; Кривелло, Дж. К. (2012). «Нестехиометрия и моделирование по Кальфаду фаз Франка-Каспера». Прикладные науки . 2 (4): 669. doi : 10.3390/app2030669 .
  4. ^ Берн, К.; Слюйтер, М.; Пастурель, А. (2002). «Теоретический подход к выбору фаз в тугоплавких металлах и сплавах». Журнал сплавов и соединений . 334 (1–2): 27–33. doi :10.1016/S0925-8388(01)01773-X.
  5. ^ Graef, MD; Henry, ME (2007) Структура материалов, Введение в кристаллографию, дифракцию и симметрию . Cambridge University Press. ISBN 1107005876. С. 518–536 
  6. ^ Стюарт, GR (июль 2015 г.). «Сверхпроводимость в структуре A15». Physica C: Сверхпроводимость и ее применения . 514 : 28–35. arXiv : 1505.06393 . doi : 10.1016/j.physc.2015.02.013 .
  7. ^ Кривелло, Дж. К.; Брейди, А.; Жубер, Дж. М. (2013). «Фазы Χ и σ в бинарных системах рений-переходный металл: систематическое исследование из первых принципов». Неорганическая химия . 52 (7): 3674–86. doi :10.1021/ic302142w. PMID  23477863.