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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13631 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

As cerâmicas MX do tipo B1 são compostas de metais de transição (M) e C, N e/ou O (X) ocupando os locais M e X, respectivamente, e tendo ligações M – X vizinho mais próximo (NN) e M – M e X – X títulos do próximo vizinho mais próximo (NNN). A substituição dos elementos e a formação de lacunas estruturais na cerâmica do tipo B1 alteram o número e a resistência das ligações, levando a novas propriedades. A mudança no módulo de elasticidade do TiC não estequiométrico em equilíbrio com uma fase de solução sólida de Ti-Mo foi investigada experimentalmente com base na regra de misturas do modelo Voigt. Os valores obtidos experimentalmente concordaram bem com os resultados dos cálculos da teoria do funcional da densidade. O módulo bulk (K) do TiC aumentou de 205,6 para 239,2 GPa à medida que a fração de sítios de Ti ocupados por Mo aumentou de 0,11 para 0,33, enquanto o módulo de Young (E) e o módulo de cisalhamento (G) permaneceram quase constantes. Por outro lado, todos os três módulos elásticos diminuíram com o aumento da fração de vacância nos locais C. Estes resultados sugerem que a resistência da ligação M – X deve ser o fator dominante nestes módulos e o efeito da ligação M – M em K é maior que o de G e E.

Compostos MX do tipo B1 compostos por metais de transição (M) e C, N e/ou O (X), ocupando os sítios M e X, respectivamente, principalmente com ligações covalentes M – X, exibem propriedades de material atraentes, como baixo densidade, alto ponto de fusão, alta dureza, boa resistência ao desgaste e condutividade elétrica moderada1,2,3. Consequentemente, essas fases cerâmicas são amplamente utilizadas em filmes finos, como revestimentos para ferramentas de corte, como fases duras em cermets, etc., e também são encontradas como precipitados nanométricos em alguns aços2,4,5,6,7,8. Uma desvantagem dos compostos do tipo B1 é a sua fragilidade; por exemplo, a tenacidade à fratura do TiC estequiométrico é de apenas cerca de 3 MPa(m)1/29,10. Se esta fraca tenacidade pudesse ser melhorada sem uma diminuição proporcional na resistência, as aplicações das cerâmicas resultantes expandir-se-iam ainda mais como materiais de temperatura ultra-alta que podem ser utilizados para melhorar a eficiência energética de turbinas a gás e motores a jacto e para sistemas de protecção térmica. em corpos de naves espaciais11,12,13,14,15.

Os compostos MX do tipo B1 podem ter graus relativamente altos de estequiometria em comparação com outras cerâmicas, como as fases SiC e MAX . Por exemplo, a região composicional para Ti2AlC é muito estreita no sistema ternário Ti – Al – C, mesmo a 1300 °C . Por outro lado, a região da fase TiC no sistema ternário Mo – Ti – C se expande em direção às regiões ricas em Ti e ricas em Mo, e essas estequiometrias mudam as propriedades do material, alterando os tipos e números de ligações por substituição elementar e formação de vagas estruturais19.

No campo dos compostos intermetálicos, há uma longa história de estudos sobre como as propriedades dos materiais mudam devido à estequiometria. Por exemplo, compostos intermetálicos do tipo B2 têm sido extensivamente estudados quanto aos efeitos da estequiometria nas suas estruturas e propriedades de defeitos . Aqui, é bem conhecido que a estrutura do defeito dos compostos MX do tipo B1 é do tipo vacância na região rica em metais de transição . Nos primeiros estudos, as mudanças na energia de ligação e na estrutura de bandas do TiC não estequiométrico já foram discutidas . Nas últimas duas décadas, as estabilidades de fase e os módulos elásticos dos compostos MX do tipo B1 relacionados à estrutura do defeito foram investigados por meio de cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) . Propriedades elásticas de compostos MX multicomponentes do tipo B1 com vagas38,39 ou sem vagas40,41,42,43 também foram investigadas por meio de cálculos DFT. É mais significativo investigar mais detalhadamente o efeito fora-estequiométrico com vacâncias estruturais nas propriedades do material de compostos MX multicomponentes do tipo B1, experimentalmente e computacionalmente.