Cоединения с наноламинатной структурой (МАХ-фазы)

Ответственные исполнители темы:

1. Минин Роман Владимирович, зав. лабораторией гетерогенных металлических систем, старший научный сотрудник, кандидат технических наук (waserman@yandex.ru, тел. +7(3822)492-294)

2. Лепакова Ольга Клавдиевна, ст.науч.сотр., канд.техн. наук (Klavdievna.K@yandex.ru, тел. +7 (3822) 492-294

К настоящему времени получено большое количество тройных наноламинатных карбидов и нитридов с гексагональной структурой, с химической формулой Mn+1AXn, где M - переходный металл; A – элемент IIIA – VIA подгрупп, а X - углерод и/или азот, n=1-3 (в настоящее время имеются соединения с n > 3). Благодаря структурным особенностям МАКС-фазы обладают уникальной комбинацией свойств, поскольку сочетают в себе характеристики металлов и керамик. Как металлы, они характеризуются высокими тепло- и электропроводностью, стойкостью к термоударам и разрушению, сохраняют пластичность при высоких температурах, могут обрабатываться механически. Как керамические материалы, они стойки к окислению, усталостным нагрузкам, жаростойкие, сохраняют прочность при высоких температурах, имеют низкую плотность и характеризуются низким коэффициентом трения. Всё это позволяет рассматривать их как перспективные материалы для конструкционных применений во многих областях.

МАХ-фазы могут быть получены различными методами с использованием различных исходных материалов, композиций и условий синтеза. Нами методом СВС получены МАХ-фазы в системах Ti-Si-C, Ti-Al-C, Ti(Cr)-Al-C, Cr-Al-C, Nb-Al-C. Изучены фазовый состав, структура и некоторые свойства синтезированных в этих системах МАХ-фаз. Общим моментом всех проведенных на сегодняшний день исследований является то, что атомы Х в МАХ –фазах представлены С и/или N. В то же время существование двойных соединений M x C y , M x N y и M x B y (М – переходные металлы) указывает на способность переходных металлов внедрять элементы B, C и N в различных стехиометриях. Рядом исследователей были выполнены первопринципные расчеты для предсказания и сравнения электронных структур, энергий образования и механические свойства фаз M 2 AB (M = Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf или Ta), соответствующих фазам M 2 AC и M 2 AN.. Особое внимание было уделено фазам M 2 AlB, поскольку Al широко используется для синтеза различных фаз M 2 AlC и M 2 AlN. Авторы этих расчётов отмечают, что на данном этапе фазы M 2 AlB являются гипотетическими.

В ряде работ, в том числе и наших, рассматривалась возможность синтеза борсодержащих МАХ фаз в системах Ti-Si-C, Ti-Al-C за счёт частичного замещения атомов углерода в кристаллических решётках МАХ - фаз атомами бора. Авторы этих работ предполагали, что если для синтеза брать определённую пропорцию атомов титана, бора и углерода, то можно получить борсодержащие МАХ фазы. Однако, частичная замена углерода бором не привела к синтезу борсодержащих МАХ – фаз.

СВС позволяет в широких пределах изменять химический и гранулометрический состав исходных компонентов, температуру и скорость горения. что позволило в системе 2Ti-Al-B получить борсодержащую МАХ – фазу. СЭМ – изображение поверхности излома СВС-образца системы 2Ti-Al-B демонстрирует слоистую структуру пластинчатых кристаллов системы 2Ti-Al-B

Микроструктура СВС-образца системы 2Ti-Al-B

Из анализа EDS следует, что присутствующие в изломе СВС- образца состава 2Ti-Al-B пластинчатые кристаллы содержат Al, Ti, B и расположены в матрице содержащей Ti,Al. На основе EDS – анализа и результатов картрирования можно заключить, что пластинчатые кристаллы – борсодержащие тройные соединения типа МАХ-фаз в системе Ti-Al-C, а матрица – интерметаллическое соединение

Уникальные свойства МАХ-фаз, в том числе и борсодержащих, позволят использовать их в самых различных отраслях промышленности, как в качестве самостоятельных конструкционных материалов, так и покрытий.