非経験計算によってスクリーニングされた延性と破壊靱性が向上したセラミック遷移金属二ホウ化物超格子

Aug 12, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12835 (2023) この記事を引用

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使用中に亀裂の形成や伝播を容易に引き起こす固有の脆性は、保護用セラミック薄膜用途にとって深刻な問題です。 一般に柔らかい材料と硬い材料のnm厚の層を交互に配置した超格子構造は、立方晶系遷移金属窒化物セラミックなどの機械的性能を向上させる強力な方法であることが証明されています。 私たちは、ハイスループットの第一原理計算を用いて、超格子構造が 2 つの競合する六方晶相 \(\alpha\) と \(\omega\) を持つ遷移金属二ホウ化物の機械的特性と耐破壊性を向上させる可能性があることを提案します。 \(\alpha /\alpha\)、\(\alpha /\omega\)、または \(\omega /\omega\) MB\(_2\) (ただし M \(=\) Alまたは3族から6族の遷移金属）二ホウ化物超格子。 エネルギー的安定性の考慮事項と、格子とせん断弾性率の不一致の制限 (\(\Delta a<4\%\)、\(\Delta G>40\) GPa) に基づいて、さらなる調査のために 33 の超格子系を選択します。 特定されたシステムは、機械的安定性と弾性定数 \(C_{ij}\) の観点から分析され、後者は面内強度と面外強度 (\(C_{11}\)) を示します。 \(C_{33}\)) および延性 (\(C_{13}-C_{44}\)、\(C_{12}-C_{66}\))。 界面に沿った脆性劈開に抵抗する超格子の能力は、グリフィスの破壊靱性の公式によって推定されます。 \(\alpha /\alpha\) 型 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) 、および \(\alpha /\omega\) 型 AlB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Nb, Ta, Mo, W) が最も有望な候補として提案されています。原子スケールの基礎により、靱性と亀裂成長に対する耐性が強化されます。

非経験的計算は、多くの用途において望ましくない材料の挙動を抑制できる新しい設計アプローチへの道を切り開き、したがって現代の技術プロセスを加速するために不可欠です。 特に、遷移金属の炭化物、窒化物、二ホウ化物を含むセラミック薄膜の分野では、非経験的予測は有用な傾向を与えるものとみなされ 1,2,3,4 、ほぼ定期的に実験研究を補完します 5,6,7,8。 私たちの研究は、超高温セラミックス (UHTC) に属し、高硬度、摩耗性および侵食性摩耗に対する良好な耐性、および優れた耐酸化性および耐食性が魅力的な二ホウ化遷移金属 (MB\(_2\)s) に焦点を当てています9、 10、11、12、13。 原子スケールでは、これらの特性はホウ素と遷移金属原子間の強力な共有結合、イオン共有結合に由来し 1,14、薄膜の場合は独特のナノ複合構造にも起因すると考えられます 5,6。 ただし、MB\(_2\) 薄膜は、機械的負荷や熱負荷を受けたときに塑性変形する能力が限られているため、亀裂の発生/伝播が容易になり、最終的には永久的な破損につながります。

過去 20 年間に、セラミック薄膜の変形中の脆性挙動と亀裂の伝播を抑制するためのいくつかの概念が生まれました。 遷移金属の窒化物、炭化物、二ホウ化物の薄膜に適用されるいわゆる「真性」アプローチは、遷移金属副格子上の合金化 15,16 または空孔誘起強化 17,18 に基づいており、これにより弾性剛性が低下します (通常、押し込み弾性率が低下することで現れます)。 ）亀裂が発生する傾向を軽減します。 他の「外部」アプローチは、空間的不均質性を備えた多層構造の形成に基づいており、既存の亀裂付近に蓄積されたエネルギーを効果的に散逸させます。 超格子構造では、亀裂の伝播は柔軟な層と硬い層の間の界面によって偏向され鈍くなります19、または亀裂は堆積中の成長方向のジャンプ状の交替によって形成される界面（山形のような形態）によって遅延されます20。