Фазы Франка – Каспера

Элементарная ячейка фазы Лавеса со структурой MgZn ₂ (атомы Mg показаны зеленым цветом).

топологически плотной упаковки ( ТКП ) Фазы , также известные как фазы Франка-Каспера (ФК) , представляют собой одну из крупнейших групп интерметаллических соединений, известных своей сложной кристаллографической структурой и физическими свойствами. Благодаря сочетанию периодической и апериодической структуры некоторые фазы ТКФ относятся к классу квазикристаллов . применение ТКФ-фаз в качестве высокотемпературных конструкционных и сверхпроводящих Освещено материалов; однако они еще недостаточно исследованы для получения подробной информации об их физических свойствах. Кроме того, их сложная и часто нестехиометрическая структура делает их хорошими объектами для теоретических расчетов.

История

В 1958 году Фредерик К. Франк и Джон С. Каспер в своей оригинальной работе, исследующей многие сложные сплавов , структуры ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} показали, что неикосаэдрическая среда образует открытую сеть, которую они назвали основным скелетом, а теперь идентифицируют 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 ]}

Классификация геометрии элементарной ячейки

На основании тетраэдрических единиц кристаллографические структуры FK подразделяются на низкие и высокие полиэдрические группы, обозначаемые их координационными числами (CN), относящимися к количеству атомов, центрирующих многогранник. 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, связанные вдоль направлений, где пятикратная икосаэдрическая симметрия заменяется шестикратной локальной симметрией. ^{[ 4 ]} Сайты с 12-кратной координацией называются второстепенными сайтами, а сайты с более чем 12-кратной координацией — основными сайтами. ^{[ 1 ]}

Классические фазы FK

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

Фазы А15

Фазы А15 представляют собой интерметаллические сплавы со средним координационным числом (ACN) 13,5 и восемью _{A 3} B атомами стехиометрии на элементарную ячейку, где два атома B окружены полиэдрами CN12 (икосаэдрами), а шесть атомов A окружены полиэдрами CN14. Nb ₃ Ge – сверхпроводник со структурой А15.

Фазы Лавеса

Три фазы Лавеса представляют собой интерметаллические соединения, состоящие из многогранников CN12 и CN16 со стехиометрией AB ₂ , обычно встречающихся в бинарных металлических системах, таких как MgZn ₂ . Из-за малой растворимости структур AB ₂ фазы Лавеса представляют собой почти линейные соединения, хотя иногда могут иметь широкую область гомогенности.

Фазы σ, µ, M, P и R

Сигма-фаза (σ) представляет собой интерметаллическое соединение, известное как соединение без определенного стехиометрического состава и образующееся при соотношении электронов / атомов от 6,2 до 7. Оно имеет примитивную тетрагональную элементарную ячейку с 30 атомами. CrFe — типичный сплав, кристаллизующийся в σ-фазе эквиатомного состава. Физические свойства регулируются в зависимости от его структурных компонентов или химического состава, обеспечивающего заданную структуру.

Фаза μ имеет идеальную стехиометрию A ₆ B ₇ , а ее прототип W ₆ Fe ₇ содержит ромбоэдрическую ячейку с 13 атомами. Хотя были идентифицированы многие другие типы сплавов Франка-Каспера, их продолжают обнаруживать. Сплав Nb ₁₀ Ni ₉ Al ₃ является прототипом М-фазы. Он имеет орторомбическую пространственную группу с 52 атомами в элементарной ячейке. Сплав Cr ₉ Mo ₂₁ Ni ₂₀ является прототипом Р-фазы. Он имеет примитивную орторомбическую ячейку с 56 атомами. Сплав Co ₅ Cr ₂ Mo ₃ является прототипом R-фазы, относящейся к ромбоэдрической пространственной группе с 53 атомами в ячейке. ^{[ 5 ]}^{[ 1 ]}

Приложения

Фазовые материалы FK были отмечены за их высокотемпературную структуру и как сверхпроводящие материалы. Их сложная и часто нестехиометрическая структура делает их хорошим объектом для теоретических расчетов. A15, Лавеса и σ являются наиболее применимыми структурами ФК с интересными фундаментальными свойствами.

Соединения A15 включают важные интерметаллические сверхпроводники , такие как: Nb ₃ Sn , Nb ₃ Al и V ₃ Ga, которые применяются, включая провода для сверхпроводящих магнитов сильного поля. ^{[ 6 ]} Nb ₃ Sn также исследуется как потенциальный материал для изготовления сверхпроводящих радиочастотных резонаторов.

Небольшие количества σ-фазы значительно снижают гибкость и ухудшают эрозионную стойкость . Хотя добавление тугоплавких элементов, таких как W , Mo или Re, к фазам FK помогает улучшить термические свойства таких сплавов, как стали или суперсплавы на основе никеля , оно увеличивает риск нежелательного выделения интерметаллических соединений. ^{[ 7 ]}

См. также

Сложные металлические сплавы

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Франк, ФК; Каспер, Дж. С. (10 марта 1958 г.). «Сложные структуры сплавов, рассматриваемые как сферические упаковки. I. Определения и основные принципы» . Акта Кристаллографика . 11 (3). Международный союз кристаллографии (IUCr): 184–190. дои : 10.1107/s0365110x58000487 . ISSN 0365-110X .
^ Франк, ФК; Каспер, Дж. С. (10 июля 1959 г.). «Структуры сложных сплавов, рассматриваемые как сферические упаковки. II. Анализ и классификация типичных структур» . Акта Кристаллографика . 12 (7). Международный союз кристаллографии (IUCr): 483–499. дои : 10.1107/s0365110x59001499 . ISSN 0365-110X .
^ Жубер, ЖМ; Кривелло, Дж. К. (2012). «Нестехиометрия и кальфадное моделирование фаз Франка-Каспера» . Прикладные науки . 2 (4): 669. дои : 10.3390/app2030669 .
^ Берн, К.; Слейтер, М.; Пастурел, А. (2002). «Теоретический подход к выбору фаз в тугоплавких металлах и сплавах». Журнал сплавов и соединений . 334 (1–2): 27–33. дои : 10.1016/S0925-8388(01)01773-X .
^ Граф, доктор медицины; Генри, Мэн (2007) Структура материалов. Введение в кристаллографию, дифракцию и симметрию . Издательство Кембриджского университета. ISBN 1107005876 . стр. 518–536
^ Стюарт, GR (июль 2015 г.). «Сверхпроводимость в структуре А15» . Физика C: Сверхпроводимость и ее приложения . 514 : 28–35. arXiv : 1505.06393 . doi : 10.1016/j.physc.2015.02.013 .
^ Кривелло, Дж. К.; Брейди, А; Жубер, ЖМ (2013). «Фазы Χ и σ в бинарных системах рений-переходный металл: систематическое исследование из первых принципов». Неорганическая химия . 52 (7): 3674–86. дои : 10.1021/ic302142w . ПМИД 23477863 .

[FK_1958-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Франк, ФК; Каспер, Дж. С. (10 марта 1958 г.). «Сложные структуры сплавов, рассматриваемые как сферические упаковки. I. Определения и основные принципы» . Акта Кристаллографика . 11 (3). Международный союз кристаллографии (IUCr): 184–190. дои : 10.1107/s0365110x58000487 . ISSN 0365-110X .

[2] Франк, ФК; Каспер, Дж. С. (10 июля 1959 г.). «Структуры сложных сплавов, рассматриваемые как сферические упаковки. II. Анализ и классификация типичных структур» . Акта Кристаллографика . 12 (7). Международный союз кристаллографии (IUCr): 483–499. дои : 10.1107/s0365110x59001499 . ISSN 0365-110X .

[3] Жубер, ЖМ; Кривелло, Дж. К. (2012). «Нестехиометрия и кальфадное моделирование фаз Франка-Каспера» . Прикладные науки . 2 (4): 669. дои : 10.3390/app2030669 .

[4] Берн, К.; Слейтер, М.; Пастурел, А. (2002). «Теоретический подход к выбору фаз в тугоплавких металлах и сплавах». Журнал сплавов и соединений . 334 (1–2): 27–33. дои : 10.1016/S0925-8388(01)01773-X .

[5] Граф, доктор медицины; Генри, Мэн (2007) Структура материалов. Введение в кристаллографию, дифракцию и симметрию . Издательство Кембриджского университета. ISBN 1107005876 . стр. 518–536

[6] Стюарт, GR (июль 2015 г.). «Сверхпроводимость в структуре А15» . Физика C: Сверхпроводимость и ее приложения . 514 : 28–35. arXiv : 1505.06393 . doi : 10.1016/j.physc.2015.02.013 .

[7] Кривелло, Дж. К.; Брейди, А; Жубер, ЖМ (2013). «Фазы Χ и σ в бинарных системах рений-переходный металл: систематическое исследование из первых принципов». Неорганическая химия . 52 (7): 3674–86. дои : 10.1021/ic302142w . ПМИД 23477863 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]