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Jun 21, 2023

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Scientific Reports volume 13、記事番号: 13631 (2023) この記事を引用 128 アクセス メトリクスの詳細 B1 タイプ MX セラミックスは、遷移金属 (M) と、C、N、および/または O (X) で構成されています。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13631 (2023) この記事を引用

128 アクセス

メトリクスの詳細

B1 タイプ MX セラミックスは、遷移金属 (M) と、M サイトと X サイトをそれぞれ占める C、N、および/または O (X) で構成され、M-X 最近傍 (NN) 結合と M-M 結合を持ちます。 X-X の次最近隣 (NNN) 結合。 B1 タイプのセラミックにおける元素の置換と構造空孔の形成により、結合の数と強度が変化し、新しい特性が生まれます。 Ti-Mo固溶体相との平衡状態における非化学量論的TiCの弾性率の変化を、Voigtモデルの混合則に基づいて実験的に研究した。 実験的に得られた値は、密度汎関数理論の計算結果とよく一致しました。 Mo が占める Ti サイトの割合が 0.11 から 0.33 に増加するにつれて、TiC の体積弾性率 (K) は 205.6 GPa から 239.2 GPa に増加しましたが、ヤング率 (E) とせん断弾性率 (G) はほぼ一定のままでした。 一方、C サイトの空孔率が増加すると、3 つの弾性率はすべて減少しました。 これらの結果は、M-X 結合の強さがこれらの弾性率の支配的な要因であるはずであり、K に対する M-M 結合の影響が G および E の影響よりも大きいことを示唆しています。

B1 タイプ MX 化合物は、遷移金属 (M) と C、N、および/または O (X) で構成され、主に M-X 共有結合で M サイトと X サイトをそれぞれ占有し、次のような魅力的な材料特性を示します。密度、高融点、高硬度、良好な耐摩耗性、および適度な導電性1、2、3。 したがって、これらのセラミック相は、薄膜、切削工具のコーティング、サーメットの硬質相などとして広く使用されており、一部の鋼ではナノサイズの析出物としても見られます2、4、5、6、7、8。 B1 タイプの化合物の欠点の 1 つは、脆いことです。 たとえば、化学量論的 TiC の破壊靱性はわずか約 3 MPa(m)1/29,10 です。 強度を相応に低下させることなく、この貧弱な靭性を改善できれば、得られるセラミックスの用途は、ガスタービンやジェットエンジンのエネルギー効率の向上や熱保護システムに使用できる超高温材料としてさらに拡大するでしょう。宇宙船本体内11、12、13、14、15。

B1 タイプ MX 化合物は、SiC 相や MAX 相などの他のセラミックスと比較して、比較的高度な化学量論比から外れる可能性があります 13、14、15、16、17。 たとえば、Ti-Al-C 三元系では、Ti2AlC の組成領域は、1300 °C であっても非常に狭い18。 一方、Mo-Ti-C 三元系の TiC 相領域は Ti リッチ領域と Mo リッチ領域の両方に向かって拡大しており、これらの化学量論から外れた領域は、金属の種類と数を変えることによって材料の特性を変化させます。元素の置換と構造的空孔の形成による結合19。

金属間化合物の分野では、化学量論から外れることにより材料特性がどのように変化するかについての研究には長い歴史があります。 たとえば、B2 タイプの金属間化合物は、その欠陥構造と特性に対する非化学量論の影響について広く研究されています 20、21、22、23、24、25、26、27。 ここで、B1 型 MX 化合物の欠陥構造は、遷移金属リッチ領域では空孔型であることがよく知られています 28,29,30,31。 初期の研究では、非化学量論的 TiC の結合エネルギーとバンド構造の変化がすでに議論されていました 32,33。 過去 20 年間にわたり、欠陥構造に関連する B1 タイプ MX 化合物の相安定性と弾性率が、密度汎関数理論 (DFT) 計算によって研究されてきました 34、35、36、37。 空孔がある 38,39 または空孔がない 40,41,42,43 多成分 B1 タイプ MX 化合物の弾性特性も、DFT 計算によって調査されています。 多成分 B1 タイプ MX 化合物の材料特性に対する構造空孔による非化学量論的影響を実験的および計算的にさらに調査することは、より有意義です。