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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13631 (2023) Citare questo articolo

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Le ceramiche MX di tipo B1 sono composte da metalli di transizione (M) e C, N e/o O (X) che occupano rispettivamente i siti M e X e hanno legami M–X del vicino più vicino (NN) e M–M e X – X obbligazioni del vicino più vicino (NNN). La sostituzione degli elementi e la formazione di posti vacanti strutturali nelle ceramiche di tipo B1 modificano il numero e la forza dei legami, portando a nuove proprietà. La variazione del modulo elastico del TiC fuori stechiometrico in equilibrio con una fase di soluzione solida di Ti-Mo è stata studiata sperimentalmente sulla base della regola delle miscele del modello di Voigt. I valori ottenuti sperimentalmente concordavano bene con i risultati dei calcoli della teoria del funzionale della densità. Il modulo di massa (K) di TiC è aumentato da 205,6 a 239,2 GPa mentre la frazione di siti Ti occupati da Mo è aumentata da 0,11 a 0,33, mentre il modulo di Young (E) e il modulo di taglio (G) sono rimasti quasi costanti. D'altra parte, tutti e tre i moduli elastici diminuivano all'aumentare della frazione di posti vacanti nei siti C. Questi risultati suggeriscono che la forza del legame M–X dovrebbe essere il fattore dominante in questi moduli e che l’effetto del legame M–M su K è maggiore di quello di G ed E.

I composti MX di tipo B1 composti da metalli di transizione (M) e C, N e/o O (X), che occupano rispettivamente i siti M e X, principalmente con legami covalenti M–X, mostrano proprietà attraenti del materiale, come basso densità, alto punto di fusione, elevata durezza, buona resistenza all'usura e moderata conduttività elettrica1,2,3. Di conseguenza, queste fasi ceramiche sono ampiamente utilizzate nei film sottili, come rivestimenti per utensili da taglio, come fasi dure nei cermet, ecc., e si trovano anche come precipitati nanometrici in alcuni acciai2,4,5,6,7,8. Uno svantaggio dei composti di tipo B1 è la loro fragilità; ad esempio, la tenacità alla frattura del TiC stechiometrico è solo di circa 3 MPa(m)1/29,10. Se questa scarsa tenacità potesse essere migliorata senza una diminuzione proporzionale della resistenza, le applicazioni delle ceramiche risultanti si espanderebbero ulteriormente come materiali a temperature ultra elevate che possono essere utilizzati per migliorare l’efficienza energetica delle turbine a gas e dei motori a reazione e per i sistemi di protezione termica. nei corpi dei veicoli spaziali11,12,13,14,15.

I composti MX di tipo B1 possono avere gradi di fuori stechiometria relativamente elevati rispetto ad altri ceramici, come le fasi SiC e MAX13,14,15,16,17. Ad esempio, la regione compositiva del Ti2AlC è molto ristretta nel sistema ternario Ti–Al–C, anche a 1300 °C18. D'altra parte, la regione della fase TiC nel sistema ternario Mo–Ti–C si espande sia verso le regioni ricche di Ti che verso quelle ricche di Mo, e queste fuori stechiometrie modificano le proprietà del materiale modificando i tipi e il numero di legami dovuti alla sostituzione elementare e alla formazione di posti vacanti strutturali19.

Nel campo dei composti intermetallici esiste una lunga storia di studi su come le proprietà dei materiali cambiano a causa della stechiometria. Ad esempio, i composti intermetallici di tipo B2 sono stati ampiamente studiati per gli effetti della fuori stechiometria sulle loro strutture e proprietà dei difetti20,21,22,23,24,25,26,27. Qui, è ben noto che la struttura dei difetti dei composti MX di tipo B1 è del tipo vacante nella regione ricca di metalli di transizione28,29,30,31. Nei primi studi, erano già stati discussi i cambiamenti nell'energia di legame e nella struttura delle bande del TiC fuori stechiometrico32,33. Negli ultimi due decenni, le stabilità di fase e i moduli elastici dei composti MX di tipo B1 relativi alla struttura del difetto sono stati studiati mediante calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT)34,35,36,37. Sono state studiate anche le proprietà elastiche dei composti MX multicomponente di tipo B1 con posti vacanti38,39 o senza posti vacanti40,41,42,43 mediante calcoli DFT. È più significativo indagare ulteriormente l'effetto fuori stechiometrico con posti vacanti strutturali sulle proprietà dei materiali dei composti MX multicomponente di tipo B1 sperimentalmente e computazionalmente.