Aucune pression élevée requise, coût réduit Les scientifiques découvrent de nouveaux matériaux extra-durs

2021-08-17 15:23:22 Henry Wang 20

Lors de la recherche de nouveaux composés super durs, les chercheurs ont prédit un borure de molybdène stable et sa structure cristalline. Ils ont découvert que le borure le plus élevé contient 4 à 5 atomes de bore par atome de molybdène. Le MoB5 a une dureté Vickers estimée de 37 à 39 GPa, ce qui en fait un matériau potentiellement super dur. La recherche a été publiée dans "The Journal of Physical Chemistry Letters".

Auparavant, un groupe de chercheurs dirigé par le professeur Artem Oganov de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) a publié une étude dans le Journal of Applied Physics, qui a compilé de manière exhaustive une liste de matériaux extra-durs pouvant avoir un potentiel d'application industrielle. La liste est établie à l'aide d'un nouveau modèle de l'algorithme évolutif USPEX, de la dureté Vickers (la pression requise pour laisser des indentations pyramidales dans le matériau) et de la ténacité à la fracture (la capacité du matériau à résister au transfert de fracture), connue sous le nom de "carte au trésor "À l'usage de l'auteur.

Dans ce nouvel article, des scientifiques de l'Université Skoltech de Moscou, de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, de l'Institut de physique générale AM Prokhorov RAS, de l'Université médicale d'État russe de Pirogov et de l'Université polytechnique du Nord-Ouest en Chine ont étudié la boration sur la carte de la zone du molybdène. Le borure de métal de transition est un substitut potentiel au carbure cémenté traditionnel et aux matériaux extra-durs dans les applications techniques. Contrairement au diamant et au nitrure de bore cubique largement utilisés, la synthèse du borure de métal de transition ne nécessite pas de haute pression, de sorte que le coût de production est inférieur.

Atlas des matériaux extra-durs

Étant donné que les électrons se repoussent, la densité électronique à haute valence des atomes métalliques peut résister à la compression, tandis que les liaisons covalentes bore-bore et bore-métal peuvent résister à la déformation élastique et plastique.

"Habituellement, le modèle de diffraction des rayons X (XRD) simulé est comparé à la figure expérimentale pour déterminer si la structure prédite est compatible avec la structure expérimentale. Cependant, compte tenu du borure de métal de transition, tel que le borure de molybdène, le modèle XRD ne peut montrer que Le signal des atomes plus lourds, tandis que la position des atomes de bore plus légers est fondamentalement invisible, c'est pourquoi les modèles de structure cristalline basés sur les seules données expérimentales sont souvent irréalistes et instables, par conséquent, une méthode complète pour déterminer la structure cristalline nécessite le calcul théorique le plus avancé méthode. ", a déclaré Alexander Kvashnin, chercheur principal chez Skoltech et MIPT.

Il a été constaté que le pentaborure de molybdène MoB5 est le borure stable le plus élevé, mais le diagramme de diffraction des rayons X simulé est proche mais pas complètement identique aux données expérimentales. Le pentaborure prédit a quelques pics faibles qui n'ont pas été observés dans l'expérience. Cela implique une plus grande symétrie dans les échantillons expérimentaux. L'élément structurel clé de ce nouveau composé est la disposition triangulaire des atomes de bore, des couches de molybdène et des atomes de bore dans la couche de type graphène. Les atomes de bore et de molybdène sont disposés alternativement, et certains atomes de Mo sont remplacés par des triangles B3 uniformément répartis dans tout le volume cristallin.

"Nous avons fait l'hypothèse que la structure du borure le plus élevé est désordonnée et que le triangle de bore remplace statistiquement l'atome de molybdène. Pour le prouver, nous avons développé un modèle de réseau qui nous permet de définir le bore de contrôle Les règles de la façon dont l'unité doit être positionné dessus. ", a déclaré Dmitry Rybkovskiy, le premier auteur de l'article et chercheur à Skoltech et à l'Institut de physique générale AM Prokhorov.

Arrangement d'atomes dans le cristal MoB5-x

Grâce à une recherche par force brute des positions des atomes de molybdène et des triangles de bore, en échantillonnant différentes variantes, nous avons trouvé des modèles liés à la stabilité. Chaque atome de métal dans la phase stable contient 4 à 5 atomes de bore. MoB4.7 est le plus stable parmi ces composés et a la meilleure correspondance avec le diagramme de diffraction des rayons X expérimental.

"Cette étude est un exemple intéressant de l'interaction entre la théorie et l'expérience. La théorie prédit un composé qui présente des propriétés particulières et une nouvelle structure, mais les expériences montrent que le matériau réel est plus complexe et sa structure est partiellement désordonnée. Nous nous sommes basés sur la théorie développé par ces résultats nous permet de reproduire toutes les observations expérimentales, de comprendre la composition et la structure exactes de ce matériau, et ses caractéristiques détaillées. En particulier, la dureté calculée est proche de la gamme des matériaux superdurs. " Artem Oganov, professeur de Skoltech et MIPT et chef de l'équipe de recherche, a déclaré.

Les matériaux extra-durs ont un large éventail d'applications industrielles, telles que la fabrication de machines-outils, la bijouterie ou l'exploitation minière. Ils sont utilisés pour la coupe, le polissage, le meulage et le perçage. Il est donc important de trouver de nouveaux composés extra-durs.

Le titre de l'article est "Structure, stabilité et propriétés mécaniques des phases en Mo riche en bore : une étude informatique"

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