Борид алюминия-магния
Борид алюминия-магния или Al 3 Mg 3 B 56 , [1] [2] [3] в просторечии известный как БАМ , представляет собой соединение алюминия магния , бора и химическое . Хотя его номинальная формула — AlMgB 14 , химический состав ближе к Al 0,75 Mg 0,75 B 14 . Это керамический сплав , обладающий высокой устойчивостью к износу и чрезвычайно низким коэффициентом трения скольжения , достигающим рекордного значения 0,04 в несмазанном состоянии. [4] и 0,02 в смазанных AlMgB 14 -TiB 2 композитах . Впервые сообщалось в 1970 году, что БАМ имеет ромбическую структуру с четырьмя икосаэдрическими единицами B 12 на элементарную ячейку. [5] Этот сверхтвердый материал имеет коэффициент теплового расширения, сравнимый с коэффициентом теплового расширения других широко используемых материалов, таких как сталь и бетон.
Синтез
[ редактировать ]Порошки БАМ производятся в промышленных масштабах путем нагревания почти стехиометрической смеси элементарного бора (низкосортного, поскольку он содержит магний) и алюминия в течение нескольких часов при температуре в диапазоне от 900 до 1500 °С. Ложные фазы затем растворяют 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 во избежание окисления металлических порошков. [7] [8]
Пленки БАМ можно наносить на кремний или металлы методом импульсного лазерного осаждения AlMgB 14 . , используя в качестве мишени порошок [9] тогда как объемные образцы получают путем спекания порошка. [10]
БАМ обычно содержит небольшие количества примесных элементов (например, кислорода и железа), которые попадают в материал при приготовлении. Считается, что присутствие железа (чаще всего поступающего в виде остатков износа из емкостей и сред) способствует спеканию . БАМ может быть легирован кремнием , фосфором , углеродом , диборидом титана (TiB 2 ), нитридом алюминия (AlN), карбидом титана (TiC) или нитридом бора (BN). [8] [10]
Характеристики
[ редактировать ]BAM имеет самый низкий из известных коэффициент трения без смазки (0,04), возможно, из-за самосмазывания. [4]
Структура
[ редактировать ]
Большинство сверхтвердых материалов имеют простые высокосимметричные кристаллические структуры, например, кубическую алмазную или цинковую обманку . Однако БАМ имеет сложную кристаллическую структуру с низкой симметрией: 64 атома на элементарную ячейку. Элементарная ячейка ромбическая , и ее наиболее характерной особенностью являются четыре борсодержащих икосаэдра . Каждый икосаэдр содержит 12 атомов бора. Еще восемь атомов бора соединяют икосаэдры с другими элементами элементарной ячейки. Заселенность металлических позиций в решетке меньше единицы, поэтому, хотя материал обычно идентифицируют по формуле AlMgB 14 , его химический состав ближе к Al 0,75 Mg 0,75 B 14 . [7] [8] Такая нестехиометрия характерна для боридов (см. кристаллическую структуру боридов богатых бором металлов и карбида бора ). Параметры элементарной ячейки БАМ: 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/см. 3 . [5] Температура плавления примерно оценивается в 2000 ° C. [11]
Оптоэлектронный
[ редактировать ]БАМ имеет запрещенную зону около ~ 1,5 эВ. Значительное поглощение наблюдается при энергиях подзонной зоны и приписывается атомам металла. Удельное электросопротивление зависит от чистоты образца и составляет около 10 4 Ом·см. Коэффициент Зеебека относительно высок: от -5,4 до -8,0 мВ/К. Это свойство возникает в результате переноса электронов от атомов металла к икосаэдрам бора и благоприятно для термоэлектрических применений. [11]
Твердость и вязкость разрушения
[ редактировать ]Микротвердость . порошков БАМ составляет 32–35 ГПа Его можно увеличить до 45 ГПа путем легирования боридом титана с высоким содержанием бора. Вязкость разрушения можно повысить с помощью TiB 2. [8] или путем нанесения квазиаморфной пленки БАМ. [9] Добавление AlN или TiC в БАМ снижает его твердость. [10] По определению, значение твердости, превышающее 40 ГПа, делает БАМ сверхтвердым материалом . В композите ВАМ-TiB 2 максимальная твердость и ударная вязкость достигаются при ~60 об. % TiB 2 . [10] Скорость изнашивания повышается за счет увеличения содержания TiB 2 до 70–80 % за счет потери твердости ~10 %. [12] Присадка TiB 2 сама по себе является износостойким материалом с твердостью 28–35 ГПа. [10]
Тепловое расширение
[ редактировать ]Коэффициент теплового расширения (TEC, также известный как коэффициент теплового расширения, COTE) для AlMgB 14 был измерен как 9 × 10. −6 К −1 дилатометрией и высокотемпературной рентгеновской дифракцией 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 можно использовать при определении методов нанесения покрытия и характеристик деталей после эксплуатации. [7] [8]
| Материал | ТЭЦ (10 −6 К −1 ) [7] |
|---|---|
| АлМгБ 14 | 9 |
| Сталь | 11.7 |
| Из | 8.6 |
| Конкретный | 10–13 |
Трение
[ редактировать ]Композит БАМ и TiB 2 (70 объемных процентов TiB 2 ) 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 снижается до 0,02 в смазках на водно-гликолевой основе. [13] [14]
Приложения
[ редактировать ]БАМ коммерчески доступен и изучается на предмет потенциального применения. Например, поршни, уплотнения и лопатки насосов могут быть покрыты BAM или BAM + TiB 2 для уменьшения трения между деталями и повышения износостойкости. Уменьшение трения уменьшит потребление энергии. BAM также можно наносить на режущие инструменты. Уменьшение трения уменьшит силу, необходимую для резки объекта, продлит срок службы инструмента и, возможно, позволит увеличить скорость резания. Было обнаружено, что покрытия толщиной всего 2–3 микрометра повышают эффективность и снижают износ режущих инструментов. [15]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Структурные и механические свойства пленок Al–Mg–B: экспериментальное исследование и расчеты из первых принципов - Скачать PDF бесплатно» .
- ^ «Генетический атлас» .
- ^ Иващенко В.И.; Турчи, ПЭА; Вепрек, С.; Шевченко В.И.; Лещинский, Ежи; Горб, Леонид; Хилл, Фрэнсис (2016). «Первичные исследования кристаллических и аморфных материалов на основе AlMgB14» . Журнал прикладной физики . 119 (20): 205105. Бибкод : 2016JAP...119t5105I . дои : 10.1063/1.4952391 . ОСТИ 1458625 .
- ^ Jump up to: а б Тиан, Ю.; Баставрос, AF; Ло, CCH; Константа, АП; Рассел, AM; Кук, бакалавр (2003). «Сверхтвердые самосмазывающиеся пленки AlMgB[sub 14] для микроэлектромеханических устройств» . Письма по прикладной физике . 83 (14): 2781. Бибкод : 2003ApPhL..83.2781T . дои : 10.1063/1.1615677 .
- ^ Jump up to: а б с В.И. Маткович; Дж. Экономика (1970). «Структура MgAlB 14 и краткая критика структурных связей в высших боридах». Акта Кристаллогр. Б. 26 (5): 616–621. Бибкод : 1970AcCrB..26..616M . дои : 10.1107/S0567740870002868 .
- ^ Хигаши, я; Ито, Т (1983). «Уточнение структуры MgAlB14». Журнал менее распространенных металлов . 92 (2): 239. doi : 10.1016/0022-5088(83)90490-3 .
- ^ Jump up to: а б с д Рассел, AM; Б. А. Кук; Дж. Л. Харринга; Т.Л. Льюис (2002). «Коэффициент теплового расширения AlMgB14». Скрипта Материалия . 46 (9): 629–33. дои : 10.1016/S1359-6462(02)00034-9 .
- ^ Jump up to: а б с д и Кук, бакалавр; Дж. Л. Харринга; Т.Л. Льюис; А. М. Рассел (2000). «Новый класс сверхтвердых материалов на основе AlMgB14» . Скрипта Материалия . 42 (6): 597–602. дои : 10.1016/S1359-6462(99)00400-5 .
- ^ Jump up to: а б с Тиан, Ю.; Баставрос, AF; Ло, CCH; Константа, АП; Рассел, AM; Кук, бакалавр (2003). «Сверхтвердые самосмазывающиеся пленки AlMgB14 для микроэлектромеханических устройств» . Письма по прикладной физике . 83 (14): 2781. Бибкод : 2003ApPhL..83.2781T . дои : 10.1063/1.1615677 .
- ^ Jump up to: а б с д и Ахмед, А; Бахадур, С; Кук, Б; Питерс, Дж (2006). «Исследование механических свойств и испытаний на царапины нового сверхтвердого AlMgB14, модифицированного TiB2». Международная Трибология . 39 (2): 129. doi : 10.1016/j.triboint.2005.04.012 .
- ^ Jump up to: а б Верцит, Хельмут; Кульманн, Удо; Крач, Гуннар; Хигаши, Ивами; Лундстрем, Торстен; Ю, Ян (1993). «Оптические и электронные свойства ромбических боридов типа MgAIB14». Журнал сплавов и соединений . 202 (1–2): 269–281. дои : 10.1016/0925-8388(93)90549-3 .
- ^ Кук, бакалавр; Питерс, Дж. С.; Харринга, Дж.Л.; Рассел, AM (2011). «Повышение износостойкости в композитах AlMgB14–TiB2» . Носить . 271 (5–6): 640. doi : 10.1016/j.wear.2010.11.013 .
- ^ Курт Кляйнер (21 ноября 2008 г.). «Материал более скользкий, чем тефлон, обнаружен случайно» . Новый учёный . Архивировано из оригинала 20 декабря 2008 года . Проверено 25 декабря 2008 г.
- ^ Хигдон, К.; Кук, Б.; Харринга, Дж.; Рассел, А.; Голдсмит, Дж.; Цюй, Дж.; Блау, П. (2011). «Механизмы трения и износа в нанопокрытиях AlMgB14-TiB2». Носить . 271 (9–10): 2111. doi : 10.1016/j.wear.2010.11.044 .
- ^ Прочные нанопокрытия повышают энергоэффективность промышленности. Архивировано 24 мая 2012 г. в Wayback Machine . Лаборатория Эймса. Пресс-релиз. Министерство энергетики. 18 ноября 2008 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Материал более приятный, чем тефлон . Статья New Scientist о БАМе.
- Новости о AlMgB 14 Пресс-релиз с фотографиями.