Алюмо-магниевый борид или Al 3 Mg 3 B 56 , [1] [2] [ 3] в просторечии известный как BAM , представляет собой химическое соединение алюминия , магния и бора . В то время как его номинальная формула AlMgB 14 , химический состав ближе к Al 0,75 Mg 0,75 B 14 . Это керамический сплав , который обладает высокой устойчивостью к износу и имеет чрезвычайно низкий коэффициент трения скольжения , достигающий рекордного значения 0,04 в несмазанных [4] и 0,02 в смазанных композитах AlMgB 14 −TiB 2 . Впервые описанный в 1970 году, BAM имеет орторомбическую структуру с четырьмя икосаэдрическими единицами B 12 на элементарную ячейку. [5] Этот сверхтвердый материал имеет коэффициент теплового расширения, сопоставимый с коэффициентом других широко используемых материалов, таких как сталь и бетон.
Порошки BAM производятся в промышленных масштабах путем нагревания почти стехиометрической смеси элементарного бора (низкого качества, поскольку он содержит магний) и алюминия в течение нескольких часов при температуре в диапазоне от 900 °C до 1500 °C. Затем побочные фазы растворяются в горячей соляной кислоте . [5] [6] Чтобы облегчить реакцию и сделать продукт более однородным, исходную смесь можно обработать в высокоэнергетической шаровой мельнице . Все предварительные обработки проводятся в сухой инертной атмосфере, чтобы избежать окисления металлических порошков. [7] [8]
Пленки BAM можно наносить на кремний или металлы методом импульсного лазерного осаждения , используя порошок AlMgB 14 в качестве мишени [9] , тогда как объемные образцы получают путем спекания порошка [10] .
BAM обычно содержит небольшие количества примесных элементов (например, кислорода и железа), которые попадают в материал во время приготовления. Считается, что присутствие железа (чаще всего вводимого в виде частиц износа из пробирок мельницы и сред) служит в качестве спекающей добавки. BAM может быть легирован кремнием , фосфором , углеродом , диборидом титана (TiB2 ) , нитридом алюминия (AlN), карбидом титана (TiC) или нитридом бора (BN). [8] [10]
BAM имеет самый низкий известный коэффициент трения без смазки (0,04), возможно, из-за самосмазывания. [4]
Большинство сверхтвердых материалов имеют простые, высокосимметричные кристаллические структуры, например, алмазную кубическую или цинковую обманку . Однако BAM имеет сложную, низкосимметричную кристаллическую структуру с 64 атомами на элементарную ячейку. Элементарная ячейка является орторомбической , и ее наиболее характерной особенностью являются четыре борсодержащих икосаэдра . Каждый икосаэдр содержит 12 атомов бора. Еще восемь атомов бора связывают икосаэдры с другими элементами в элементарной ячейке. Занятость металлических позиций в решетке ниже единицы, и, таким образом, хотя материал обычно идентифицируется формулой AlMgB14 , его химический состав ближе к Al0,75Mg0,75B14 . [ 7] [8] Такая нестехиометрия обычна для боридов (см. кристаллическую структуру борированных металлических боридов и карбида бора ). Параметры элементарной ячейки BAM: a = 1,0313 нм, b = 0,8115 нм, c = 0,5848 нм, Z = 4 (четыре структурные единицы на элементарную ячейку), пространственная группа Imma , символ Пирсона oI68, плотность 2,59 г/см3 . [ 5] Температура плавления приблизительно оценивается в 2000 °C. [11]
BAM имеет ширину запрещенной зоны около ~1,5 эВ. Значительное поглощение наблюдается при энергиях ниже запрещенной зоны и приписывается атомам металла. Электрическое сопротивление зависит от чистоты образца и составляет около 10 4 Ом·см. Коэффициент Зеебека относительно высок, между −5,4 и −8,0 мВ/К. Это свойство возникает из-за переноса электронов от атомов металла к икосаэдрам бора и благоприятно для термоэлектрических применений. [11]
Микротвердость порошков BAM составляет 32–35 ГПа. Ее можно увеличить до 45 ГПа путем легирования боридом титана, богатым бором. Вязкость разрушения можно увеличить с помощью TiB2 [ 8] или путем нанесения квазиаморфной пленки BAM. [9] Добавление AlN или TiC к BAM снижает его твердость. [10] По определению, значение твердости, превышающее 40 ГПа, делает BAM сверхтвердым материалом . В композите BAM-TiB2 максимальная твердость и вязкость достигаются при ~60 об.% TiB2 . [ 10] Скорость износа улучшается за счет увеличения содержания TiB2 до 70–80% за счет потери твердости на ~10%. [12] Добавка TiB2 сама по себе является износостойким материалом с твердостью 28–35 ГПа. [10]
Коэффициент теплового расширения (TEC, также известный как коэффициент теплового расширения, COTE) для AlMgB 14 был измерен как 9 × 10−6 K −1 методом дилатометрии и методом высокотемпературной рентгеновской дифракции с использованием синхротронного излучения. Это значение довольно близко к COTE широко используемых материалов, таких как сталь, титан и бетон. На основе значений твердости, указанных для AlMgB 14 , и самих материалов, используемых в качестве износостойких покрытий, COTE AlMgB 14 может быть использовано при определении методов нанесения покрытия и эксплуатационных характеристик деталей после эксплуатации. [7] [8]
Композит BAM и TiB2 (70 объемных процентов TiB2 ) имеет одно из самых низких значений коэффициента трения , которое составляет 0,04–0,05 при сухом царапании алмазным наконечником [9] (ср. 0,04 для тефлона) и уменьшается до 0,02 в смазках на водно-гликолевой основе. [13] [14]
BAM доступен в продаже и изучается для потенциальных применений. Например, поршни, уплотнения и лопасти насосов могут быть покрыты BAM или BAM + TiB 2 для уменьшения трения между деталями и повышения износостойкости. Уменьшение трения снизит потребление энергии. BAM также может быть нанесен на режущие инструменты. Уменьшение трения уменьшит силу, необходимую для резки объекта, продлит срок службы инструмента и, возможно, позволит увеличить скорость резки. Было обнаружено, что покрытия толщиной всего 2–3 микрометра повышают эффективность и уменьшают износ режущих инструментов. [15]