Superreticoli ceramici di diboruro di metalli di transizione con duttilità e resistenza alla frattura migliorate, valutate mediante calcoli ab initio

Feb 20, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12835 (2023) Citare questo articolo

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La fragilità intrinseca, che porta facilmente alla formazione e alla propagazione di crepe durante l'uso, è un problema serio per le applicazioni ceramiche protettive a film sottile. Le architetture a superreticolo, con strati alternati di spessore nm di materiali tipicamente più morbidi/rigidi, si sono rivelate un metodo efficace per migliorare le prestazioni meccaniche, ad esempio, delle ceramiche di nitruro di metallo di transizione cubica. Utilizzando calcoli di principi primi ad alto rendimento, proponiamo che le strutture superreticolari siano promettenti anche per migliorare le proprietà meccaniche e la resistenza alla frattura dei diboruri di metalli di transizione con due fasi esagonali concorrenti, \(\alpha\) e \(\omega\). Studiamo 264 possibili combinazioni di \(\alpha /\alpha\), \(\alpha /\omega\) o \(\omega /\omega\) MB\(_2\) (dove M \(=\) Al o metalli di transizione del gruppo 3-6) superreticoli di diboruro. Sulla base di considerazioni sulla stabilità energetica, insieme alle restrizioni per il disadattamento del modulo reticolare e di taglio (\(\Delta a<4\%\), \(\Delta G>40\) GPa), selezioniamo 33 sistemi superreticolari per ulteriori indagini. I sistemi identificati vengono analizzati in termini di stabilità meccanica e costanti elastiche, \(C_{ij}\), dove queste ultime forniscono indicazioni sulla resistenza nel piano rispetto a quella fuori piano (\(C_{11}\), \(C_{33}\)) e duttilità (\(C_{13}-C_{44}\), \(C_{12}-C_{66}\)). La capacità del superreticolo di resistere alla scissione fragile lungo le interfacce è stimata dalla formula di Griffith per la tenacità alla frattura. Il 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 \(\alpha /\omega\)-tipo AlB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Nb, Ta, Mo, W), sono suggeriti come i candidati più promettenti che forniscono base su scala atomica per una maggiore tenacità e resistenza alla crescita delle cricche.

I calcoli ab initio aprono la strada a nuovi approcci di progettazione che consentono di eliminare il comportamento indesiderato del materiale in molte applicazioni e sono quindi essenziali per accelerare i moderni processi tecnologici. Soprattutto nel campo dei film ceramici sottili, compresi i carburi, i nitruri e i diboruri dei metalli di transizione, le previsioni ab initio sono considerate utili apportatrici di tendenze1,2,3,4 e completano quasi abitualmente gli studi sperimentali5,6,7,8. Il nostro lavoro si concentra sui diboruri di metalli di transizione (MB\(_2\)s) che appartengono alle ceramiche a temperatura ultraelevata (UHTC) e sono attraenti per l'elevata durezza, la buona resistenza all'usura abrasiva ed erosiva nonché l'eccellente resistenza all'ossidazione e alla corrosione9, 10,11,12,13. Su scala atomica, queste proprietà derivano da forti legami covalenti, ionico-covalenti tra gli atomi di boro e di metalli di transizione1,14 e, nel caso di film sottili, possono essere attribuiti anche alla struttura nanocomposita unica5,6. I film sottili MB\(_2\), tuttavia, mostrano una capacità limitata di deformarsi plasticamente quando soggetti a carichi meccanici e termici, il che si traduce in un facile innesco/propagazione di crepe e, infine, porta a guasti permanenti.

Negli ultimi due decenni sono stati sviluppati diversi concetti volti a sopprimere il comportamento fragile e la propagazione delle cricche durante la deformazione di film ceramici sottili. I cosiddetti approcci “intrinseci” applicati ai film sottili di nitruro, carburo e diboruro di metalli di transizione si basano sulla lega sul sottoreticolo del metallo di transizione15,16 o sull’indurimento indotto da posti vacanti17,18 che riducono la rigidità elastica (tipicamente manifestata da un modulo di indentazione inferiore ) e riduce la tendenza alla formazione di crepe. Altri approcci “estrinseci” si basano sulla formazione di strutture multistrato con eterogeneità spaziale che garantiscono un’efficace dissipazione dell’energia accumulata in prossimità di una fessura preesistente. Nelle strutture a superreticolo, la propagazione delle cricche è deviata e smorzata dalle interfacce tra strati flessibili e rigidi19, oppure le fessure sono ritardate da interfacce formate da un'alternanza a salto della direzione di crescita durante la deposizione (morfologia a chevron)20.