Керамические сверхрешетки из диборидов переходных металлов с улучшенной пластичностью и вязкостью разрушения, проверенные расчетами ab initio

Jul 25, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12835 (2023) Цитировать эту статью

383 Доступа

Подробности о метриках

Природная хрупкость, которая легко приводит к образованию и распространению трещин во время использования, является серьезной проблемой для защитных тонкопленочных керамических изделий. Архитектура сверхрешеток с чередующимися слоями обычно более мягких и жестких материалов толщиной в нанометрах оказалась эффективным методом улучшения механических характеристик, например, керамики из кубического нитрида переходных металлов. Используя высокопроизводительные расчеты из первых принципов, мы предполагаем, что сверхрешеточные структуры перспективны также для улучшения механических свойств и сопротивления разрушению диборидов переходных металлов с двумя конкурирующими гексагональными фазами, \(\alpha\) и \(\omega\). Изучаем 264 возможные комбинации \(\alpha /\alpha\), \(\alpha /\omega\) или \(\omega /\omega\) MB\(_2\) (где M \(=\) Al или сверхрешетки диборидов переходных металлов группы 3–6). Исходя из соображений энергетической стабильности, а также ограничений на несоответствие модулей решетки и сдвига (\(\Delta a<4\%\), \(\Delta G>40\) ГПа), мы выбрали 33 сверхрешеточные системы для дальнейших исследований. Идентифицированные системы анализируются с точки зрения механической стабильности и упругих констант \(C_{ij}\), где последние указывают на прочность в плоскости и вне плоскости (\(C_{11}\), \(C_{33}\)) и пластичность (\(C_{13}-C_{44}\), \(C_{12}-C_{66}\)). Способность сверхрешетки сопротивляться хрупкому расколу вдоль границ раздела оценивается по формуле Гриффита для вязкости разрушения. \(\alpha /\alpha\)-тип TiB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Mo, W), HfB\(_2\)/WB\(_2\) , VB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Cr, Mo), NbB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Mo, W) и AlB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Nb, Ta, Mo, W) типа \(\alpha /\omega\) предполагаются как наиболее перспективные кандидаты, обеспечивающие на основе атомного масштаба для повышения прочности и устойчивости к росту трещин.

Ab initio расчеты открывают путь к новым подходам к проектированию, позволяющим подавлять нежелательное поведение материалов во многих приложениях и, следовательно, необходимы для ускорения современных технологических процессов. Особенно в области тонких керамических пленок, включая карбиды, нитриды и дибориды переходных металлов, предсказания ab initio рассматриваются как полезные индикаторы тенденций1,2,3,4 и почти всегда дополняют экспериментальные исследования5,6,7,8. Наша работа сосредоточена на диборидах переходных металлов (MB\(_2\)s), которые относятся к сверхвысокотемпературной керамике (UHTC) и привлекательны высокой твердостью, хорошей стойкостью к абразивному и эрозионному износу, а также превосходной стойкостью к окислению и коррозии9. 10,11,12,13. На атомном уровне эти свойства обусловлены прочными ковалентными ионно-ковалентными связями между атомами бора и переходных металлов1,14, а в случае тонких пленок их можно также приписать уникальной структуре нанокомпозита5,6. Однако тонкие пленки MB\(_2\) демонстрируют ограниченную способность пластически деформироваться под воздействием механических и термических нагрузок, что приводит к легкому зарождению/распространению трещин и в конечном итоге приводит к необратимому разрушению.

За последние два десятилетия появилось несколько концепций по подавлению хрупкости и распространения трещин при деформации тонких керамических пленок. Так называемые «собственные» подходы, применяемые к тонким пленкам нитридов, карбидов и диборидов переходных металлов, основаны на легировании подрешетки переходного металла15,16 или упрочнении, вызванном вакансиями17,18, что снижает упругую жесткость (обычно проявляется в более низком модуле индентирования). ) и снижает склонность к образованию трещин. Другие «внешние» подходы основаны на формировании многослойных структур с пространственной неоднородностью, обеспечивающих эффективное рассеивание накопленной энергии вблизи уже существовавшей трещины. В сверхрешетчатых структурах распространение трещин отклоняется и притупляется границами раздела между гибким и жестким слоями19, или трещины замедляются границами раздела, образующимися в результате скачкообразного изменения направления роста во время осаждения (шевроноподобная морфология)20.