Superredes de diboreto de metal de transição cerâmico com ductilidade melhorada e tenacidade à fratura avaliadas por cálculos ab initio

Feb 20, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12835 (2023) Citar este artigo

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A fragilidade inerente, que leva facilmente à formação e propagação de fissuras durante o uso, é um problema sério para aplicações de película fina de cerâmica protetora. Arquiteturas de superrede, com camadas alternadas de nm de espessura de materiais tipicamente mais macios/rígidos, têm se mostrado um método poderoso para melhorar o desempenho mecânico de, por exemplo, cerâmicas de nitreto de metal de transição cúbica. Usando cálculos de primeiros princípios de alto rendimento, propomos que as estruturas de super-redes também são promissoras para melhorar as propriedades mecânicas e a resistência à fratura de diboretos de metais de transição com duas fases hexagonais concorrentes, \(\alpha\) e \(\omega\). Estudamos 264 combinações possíveis de \(\alpha /\alpha\), \(\alpha /\omega\) ou \(\omega /\omega\) MB\(_2\) (onde M \(=\) Al ou metal de transição do grupo 3–6) superredes de diboreto. Com base em considerações de estabilidade energética, juntamente com restrições para incompatibilidade de rede e módulo de cisalhamento (\(\Delta a<4\%\), \(\Delta G>40\) GPa), selecionamos 33 sistemas de super-redes para investigações adicionais. Os sistemas identificados são analisados ​​em termos de estabilidade mecânica e constantes elásticas, \(C_{ij}\), onde estas últimas fornecem indicação de resistência dentro do plano versus fora do plano (\(C_{11}\), \(C_{33}\)) e ductilidade (\(C_{13}-C_{44}\), \(C_{12}-C_{66}\)). A capacidade da superrede de resistir à clivagem frágil ao longo das interfaces é estimada pela fórmula de Griffith para tenacidade à fratura. O tipo \(\alpha /\alpha\)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) , e \(\alpha /\omega\)-type AlB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Nb, Ta, Mo, W), são sugeridos como os candidatos mais promissores, fornecendo base em escala atômica para maior tenacidade e resistência ao crescimento de trincas.

Os cálculos ab initio abrem caminho para novas abordagens de projeto que permitem suprimir o comportamento indesejado de materiais em muitas aplicações e, portanto, são essenciais para acelerar os processos tecnológicos modernos. Especialmente no campo de filmes cerâmicos finos - incluindo carbonetos, nitretos e diboretos de metais de transição - as previsões ab initio são vistas como geradoras de tendências úteis1,2,3,4 e complementam quase rotineiramente estudos experimentais5,6,7,8. Nosso trabalho se concentra em diboretos de metais de transição (MB\(_2\)s) que pertencem à cerâmica de ultra-alta temperatura (UHTC) e são atrativos por alta dureza, boa resistência ao desgaste abrasivo e erosivo, bem como excelente resistência à oxidação e corrosão9, 10,11,12,13. Na escala atômica, essas propriedades resultam de fortes ligações covalentes, iônico-covalentes entre átomos de boro e metais de transição e, no caso de filmes finos, podem ser atribuídas também à estrutura única do nanocompósito . Os filmes finos MB\(_2\), no entanto, mostram capacidade limitada de se deformar plasticamente quando sujeitos a cargas mecânicas e térmicas, o que resulta em fácil iniciação/propagação de trincas e, em última análise, leva à falha permanente.

As últimas duas décadas trouxeram vários conceitos para suprimir o comportamento frágil e a propagação de trincas durante a deformação de filmes cerâmicos finos. As chamadas abordagens “intrínsecas” aplicadas a filmes finos de nitreto, carboneto e diboreto de metais de transição são baseadas na liga na sub-rede de metal de transição 15,16, ou tenacidade induzida por vacância 17,18 que diminui a rigidez elástica (tipicamente manifestada por menor módulo de indentação ) e reduz a tendência à formação de fissuras. Outras abordagens “extrínsecas” baseiam-se na formação de estruturas multicamadas com heterogeneidade espacial garantindo uma dissipação eficaz da energia acumulada nas proximidades de uma fissura pré-existente. Em estruturas super-redes, a propagação de fissuras é desviada e embotada por interfaces entre camadas flexíveis e rígidas , ou as fissuras são retardadas por interfaces formadas por uma alternância saltitante da direção de crescimento durante a deposição (morfologia tipo chevron) .