Las fases topológicamente empaquetadas ( TCP ) , también conocidas como fases de Frank-Kasper (FK), son uno de los grupos más grandes de compuestos intermetálicos , conocidos por su compleja estructura cristalográfica y propiedades físicas. Debido a su combinación de estructura periódica y aperiódica, algunas fases de TCP pertenecen a la clase de los cuasicristales . Se han destacado las aplicaciones de las fases de TCP como materiales estructurales y superconductores de alta temperatura ; sin embargo, aún no se han investigado lo suficiente para conocer los detalles de sus propiedades físicas. Además, su complejo y a menudo no estequiométrico la estructura los convierte en buenos sujetos para los cálculos teóricos.
Historia
En 1958, Frank y Kasper, en su trabajo original que investigaba muchas estructuras complejas de aleación , [1] [2] mostraron que los entornos no icosaédricos forman una red de extremo abierto que llamaron el esqueleto principal, y ahora se identifica como el locus de declinación. . Se les ocurrió la metodología para empaquetar icosaedros asimétricos en cristales utilizando otros poliedros con mayor número de coordinación y átomos. Estos poliedros de coordinación se construyeron para mantener un empaquetamiento cercano topológico (TCP). [3]
Clasificación de geometrías de celda unitaria
Con base en las unidades tetraédricas , las estructuras cristalográficas de FK se clasifican en grupos poliédricos bajos y altos indicados por sus números de coordinación (CN) que se refieren al número de átomos que centran el poliedro. Algunos átomos tienen una estructura icosaédrica con baja coordinación, denominados CN12. Algunos otros tienen números de coordinación más altos de 14, 15 y 16, etiquetados como CN14, CN15 y CN16, respectivamente. Estos átomos con números de coordinación más altos forman redes ininterrumpidas conectadas a lo largo de las direcciones donde la simetría icosaédrica quíntuple se reemplaza por la simetría local seis veces. [4]
Fases FK clásicas
Los miembros más comunes de una familia de fases FK son: A15 , fases de Laves , σ, μ, M, P y R.
A15 fases
Las fases A15 son aleaciones intermetálicas con un número de coordinación promedio (ACN) de 13.5 y ocho átomos de estequiometría A 3 B por celda unitaria donde dos átomos B están rodeados por poliédrico CN12 (icosaedros) y seis átomos A están rodeados por poliédrico CN14. Nb 3 Ge es un superconductor con estructura A15.
Fases de Laves
Las tres fases de Laves son compuestos intermetálicos compuestos de poliedros CN12 y CN16 con estequiometría AB 2 , comúnmente visto en sistemas de metales binarios como MgZn 2 . Debido a la pequeña solubilidad de las estructuras AB 2 , las fases de Laves son casi compuestos lineales, aunque a veces pueden tener una amplia región de homogeneidad.
Fases σ, μ, M, P y R
La fase sigma (σ) es un compuesto intermetálico conocido como el que no tiene una composición estequiométrica definida y se forma en el rango de relación electrón / átomo de 6.2 a 7. Tiene una celda unitaria tetragonal primitiva con 30 átomos. CrFe es una aleación típica que cristaliza en la fase σ en la composición equiatómica. Con propiedades físicas ajustables en función de sus componentes estructurales, o su composición química proporcionó una estructura determinada.
La fase μ tiene una estequiometría ideal A 6 B 7 , con su prototipo W 6 Fe 7 , que contiene una celda romboédrica con 13 átomos. Si bien se han identificado muchos otros tipos de aleaciones de Frank-Kasper, se siguen encontrando más. La aleación Nb 10 Ni 9 Al 3 es el prototipo de la fase M. Tiene un grupo espacial ortorrómbico con 52 átomos por celda unitaria. La aleación Cr 9 Mo 21 Ni 20 es el prototipo de la fase P. Tiene una célula ortorrómbica primitiva con 56 átomos. La aleación Co 5 Cr 2 Mo 3 es el prototipo de la fase R que pertenece al grupo espacial romboédrico con 53 átomos por celda. [5] [6]
Aplicaciones
Los materiales de la fase FK se han señalado por su estructura de alta temperatura y como materiales superconductores. Su estructura compleja y, a menudo, no estequiométrica los convierte en buenos sujetos para los cálculos teóricos. A15, Laves y σ son las estructuras FK más aplicables con interesantes propiedades fundamentales. Los compuestos A15 están formando importantes superconductores intermetálicos con aplicaciones importantes en materiales utilizados en alambres para superconductores tales como: Nb 3 Sn, Nb 3 Zr y Nb 3 Ti. La mayoría de los imanes superconductores están fabricados con una aleación de Nb 3 Ti. [7] Pequeñas extensiones de fase σ disminuyen considerablemente la flexibilidad y el deterioro de la resistencia a la erosión . Si bien la adición de elementos refractarios como W , Mo o Re a las fases FK ayuda a mejorar las propiedades térmicas en aleaciones como aceros o superaleaciones a base de níquel , aumenta el riesgo de precipitación no deseada en compuestos intermetálicos. [8]
Ver también
Referencias
- ^ Frank, FC; Kasper, JS (10 de marzo de 1958). "Estructuras de aleación complejas consideradas como empaquetaduras esféricas. I. Definiciones y principios básicos" . Acta Crystallographica . Unión Internacional de Cristalografía (IUCr). 11 (3): 184-190. doi : 10.1107 / s0365110x58000487 . ISSN 0365-110X .
- ^ Frank, FC; Kasper, JS (10 de julio de 1959). "Estructuras de aleación complejas consideradas como empaquetaduras esféricas. II. Análisis y clasificación de estructuras representativas" . Acta Crystallographica . Unión Internacional de Cristalografía (IUCr). 12 (7): 483–499. doi : 10.1107 / s0365110x59001499 . ISSN 0365-110X .
- ^ Joubert, JM; Crivello, JC (2012). "No estequiometría y modelado de Calphad de las fases de Frank-Kasper" . Ciencias Aplicadas . 2 (4): 669. doi : 10.3390 / app2030669 .
- ^ Berne, C .; Sluiter, M .; Pasturel, A. (2002). "Enfoque teórico de la selección de fases en metales refractarios y aleaciones". Revista de aleaciones y compuestos . 334 (1–2): 27–33. doi : 10.1016 / S0925-8388 (01) 01773-X .
- ^ Graef, MD; Henry, ME (2007) Estructura de materiales, Introducción a la cristalografía, difracción y simetría . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 1107005876 . págs. 518–536
- ^ Frank, FC; Kasper, JS (1958). "Estructuras de aleación complejas consideradas como empaquetaduras esféricas. I. Definiciones y principios básicos" . Acta Crystallographica . 11 (3): 184. doi : 10.1107 / S0365110X58000487 .
- ^ Sadoc, JF; Mosseri, R. (1999) Frustración geométrica . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 9780511599934 . págs. 159-162
- ^ Crivello, JC; Breidi, A; Joubert, JM (2013). "Fases Χ y σ en sistemas binarios de metales de transición de renio: una investigación sistemática de primeros principios". Química inorgánica . 52 (7): 3674–86. doi : 10.1021 / ic302142w . PMID 23477863 .