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