Las fases MAX son carburos y nitruros hexagonales en capas que tienen la fórmula general: M n + 1 AX n , (MAX) donde n = 1 a 4, [1] y M es un metal de transición temprano, A es un grupo A (principalmente IIIA y IVA, o grupos 13 y 14) elemento y X es carbono y / o nitrógeno . La estructura en capas consta de octaedros XM 6 distorsionados que comparten bordes, intercalados por capas planas individuales del elemento del grupo A.
211 | Ti 2 CdC, Sc 2 InC, Sc 2 SnC, Ti 2 AlC, Ti 2 GaC, Ti 2 InC, Ti 2 TlC, V 2 AlC, V 2 GaC, Cr 2 GaC, Ti 2 AlN, Ti 2 GaN, Ti 2 InN, V 2 GaN, Cr 2 GaN, Ti 2 GeC, Ti 2 SnC, Ti 2 PbC, V 2 GeC, Cr 2 AlC, Cr 2 GeC, V 2 PC, V 2 AsC, Ti 2 SC, Zr 2 InC, Zr 2 TlC, Nb 2 AlC, Nb 2 GaC, Nb 2 InC, Mo 2 GaC, Zr 2 InN, Zr 2 TlN, Zr 2 SnC, Zr 2 PbC, Nb 2 SnC, Nb 2 PC, Nb 2 AsC, Zr 2 SC, Nb 2 SC, Hf 2 InC, Hf 2 TlC, Ta 2 AlC, Ta 2 GaC, Hf 2 SnC, Hf 2 PbC, Hf 2 SnN, Hf 2 SC, Zr 2 AlC, Ti 2 ZnC, Ti 2 ZnN, V 2 ZnC, Nb 2 CuC, Mn 2 GaC, Mo 2 AuC, Ti 2 AuN |
---|---|
312 | Ti 3 AlC 2 , Ti 3 GaC 2 , Ti 3 InC 2 , V 3 AlC 2 , Ti 3 SiC 2 , Ti 3 GeC 2 , Ti 3 SnC 2 , Ta 3 AlC 2 , Ti 3 ZnC 2 , Zr 3 AlC 2 |
413 | Ti 4 AlN 3 , V 4 AlC 3 , Ti 4 GaC 3 , Ti 4 SiC 3 , Ti 4 GeC 3 , Nb 4 AlC 3 , Ta 4 AlC 3 , (Mo, V) 4 AlC 3 |
514 | Mo 4 VAlC 4 |
Historia
En la década de 1960, H. Nowotny y sus colaboradores descubrieron una gran familia de carburos y nitruros ternarios en capas, a los que llamaron fases 'H', [3] [4] [5] [6] ahora conocido como el '211 'Fases MAX (es decir, n = 1) y varias fases MAX' 312 '. [7] [8] El trabajo posterior se extendió a fases '312' como Ti 3 SiC 2 y mostró que tenía propiedades mecánicas inusuales. [9] En 1996, Barsoum y El-Raghy sintetizaron por primera vez Ti 3 SiC 2 completamente denso y puro en fase y revelaron, por caracterización, que posee una combinación distinta de algunas de las mejores propiedades de los metales y las cerámicas de ingeniería. [10] En 1999 también sintetizaron Ti 4 AlN 3 (es decir, una fase MAX '413') y se dieron cuenta de que estaban tratando con una familia mucho más grande de sólidos que se comportaban de manera similar. En 2020, se publicó Mo 4 VAlC 4 (es decir, una fase MAX '514'), la primera expansión importante de la definición de familia en más de veinte años. [1] Desde 1996, cuando se publicó el primer artículo "moderno" sobre el tema, se ha avanzado enormemente en la comprensión de las propiedades de estas fases. Desde 2006, la investigación se ha centrado en la fabricación, caracterización e implementación de compuestos, incluidos materiales de fase MAX. Dichos sistemas, incluidos los compuestos de fase de aluminio-MAX, [11] tienen la capacidad de mejorar aún más la ductilidad y la tenacidad sobre el material de fase MAX puro. [12] [11]
Síntesis
La síntesis de compuestos y compuestos ternarios de la fase MAX se ha realizado mediante diferentes métodos, incluida la síntesis de combustión, la deposición química de vapor, la deposición física de vapor a diferentes temperaturas y tasas de flujo, [13] fusión por arco, prensado isostático en caliente, autopropagación a alta temperatura síntesis (SHS), sinterización reactiva, sinterización por plasma de chispa, aleación mecánica y reacción en sal fundida. [14] [15] [16] [17] [18] [19] Se desarrolla un método de reemplazo de elementos en sales fundidas para obtener series de fases M n + 1 ZnX n y M n + 1 CuX n MAX. [20] [21] [22] [23]
Propiedades
Estos carburos y nitruros poseen una combinación inusual de propiedades químicas, físicas, eléctricas y mecánicas, exhibiendo características tanto metálicas como cerámicas bajo diversas condiciones. [24] [25] Estos incluyen alta conductividad eléctrica y térmica, resistencia al choque térmico, tolerancia al daño, [11] maquinabilidad, alta rigidez elástica y bajos coeficientes de expansión térmica. Algunas fases MAX también son altamente resistentes al ataque químico (por ejemplo, Ti 3 SiC 2 ) y la oxidación a alta temperatura en el aire (Ti 2 AlC, Cr 2 AlC y Ti 3 AlC 2 ). Son útiles en tecnologías que involucran motores de alta eficiencia, sistemas térmicos tolerantes a daños, aumento de la resistencia a la fatiga y retención de la rigidez a altas temperaturas. [26] Estas propiedades pueden estar relacionadas con la estructura electrónica y los enlaces químicos en las fases MAX. [27] Puede describirse como una alteración periódica de regiones de alta y baja densidad de electrones. [28] Esto permite el diseño de otros nanolaminados basados en similitudes de estructura electrónica, como Mo 2 BC [29] y PdFe 3 N. [30]
Eléctrico
Las fases MAX son conductoras eléctrica y térmicamente debido a la naturaleza metálica de su unión . La mayoría de las fases MAX son mejores conductores eléctricos y térmicos que el Ti. Esto también está relacionado con la estructura electrónica. [31]
Físico
Si bien las fases MAX son rígidas, se pueden mecanizar con la misma facilidad que algunos metales. Todos se pueden mecanizar manualmente con una sierra para metales, a pesar de que algunos de ellos son tres veces más rígidos que el metal titanio, con la misma densidad que el titanio. También se pueden pulir hasta obtener un brillo metálico debido a su excelente conductividad eléctrica. No son susceptibles al choque térmico y son excepcionalmente tolerantes a los daños. Algunos, como Ti 2 AlC y Cr 2 AlC, son resistentes a la oxidación y la corrosión. [32] El Ti 3 SiC 2 policristalino tiene cero termopotencia, una característica que se correlaciona con su estructura electrónica anisotrópica. [33]
Mecánico
Las fases MAX como clase son generalmente rígidas, livianas y plásticas a altas temperaturas. Debido a la estructura atómica estratificada de estos compuestos, [11] algunos, como Ti 3 SiC 2 y Ti 2 AlC, también son resistentes a la fluencia y la fatiga , [34] y mantienen sus resistencias a altas temperaturas. Presentan una deformación única caracterizada por deslizamiento basal (recientemente se informaron evidencias de dislocaciones a fuera del plano basal y deslizamientos cruzados de dislocación en la fase MAX deformada a alta temperatura [35] y dislocaciones C parciales de Frank inducidas por difusión de la matriz de Cu también se informó [36] ), una combinación de deformación de banda de torsión y cizallamiento, y deslaminaciones de granos individuales. [37] [38] [39] Durante las pruebas mecánicas, se ha encontrado que los cilindros policristalinos de Ti 3 SiC 2 pueden comprimirse repetidamente a temperatura ambiente, hasta tensiones de 1 GPa, y recuperarse completamente al retirar la carga mientras se disipa. 25% de la energía. Fue al caracterizar estas propiedades mecánicas únicas de las fases MAX que se descubrieron los sólidos no lineales retorcidos. El micromecanismo que se supone que es responsable de estas propiedades es la incipiente banda de torsión (IKB). Sin embargo, aún no se ha obtenido evidencia directa de estos IKB, lo que deja la puerta abierta a otros mecanismos que están menos hambrientos de suposiciones. De hecho, un estudio reciente demuestra que los bucles histeréticos reversibles cuando se ciclan los policristales MAX también pueden explicarse por la respuesta compleja de la microestructura laminar muy anisotrópica. [40]
Aplicaciones potenciales
- Refractarios resistentes, mecanizables y resistentes a los choques térmicos [41]
- Elementos calefactores de alta temperatura [32]
- Recubrimientos para contactos eléctricos
- Piezas resistentes a la irradiación de neutrones para aplicaciones nucleares [42]
- Precursor de la síntesis de carbono derivado de carburo [43]
- Precursor de la síntesis de MXenes , una familia de carburos, nitruros y carbonitruros de metales de transición bidimensionales [44]
Referencias
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