Primeiro

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10504 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Misturas de diferentes diboretos metálicos na forma de soluções sólidas são materiais promissores para aplicações em revestimentos duros. Aqui, estudamos a termodinâmica de mistura e as propriedades mecânicas de AlB\(_{2}\)-estruturado Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2} \) soluções sólidas utilizando o método dos primeiros princípios, baseado na teoria do funcional da densidade, e no formalismo de expansão de clusters. Nossa investigação termodinâmica revela que os dois diboretos se misturam prontamente para formar uma série contínua de soluções sólidas estáveis ​​no pseudo-binário TaB\(_{2}\) \(-\)ScB\(_{2}\) sistema mesmo no zero absoluto. Curiosamente, os módulos elásticos, bem como a dureza das soluções sólidas mostram desvios positivos significativos da regra linear de Vegard avaliada entre aqueles de ScB\(_{2}\) e TaB\(_{2}\). No caso de Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\), os graus de desvio de tais tendências lineares podem ser tão grandes quanto 25, 20, e 40% para o módulo de cisalhamento, módulo de Young e dureza, respectivamente. A melhoria na estabilidade, bem como nas propriedades mecânicas de soluções sólidas de Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\) em relação aos seus compostos constituintes é encontrada estar relacionado ao efeito de preenchimento de banda eletrônica, induzido pela mistura de TaB\(_{2}\) com ScB\(_{2}\). Essas descobertas não apenas demonstram o papel proeminente do preenchimento de banda no aumento da estabilidade e das propriedades mecânicas de Sc\(_{1-x}\)Ta\(_{x}\)B\(_{2}\), mas também pode potencialmente abrir a possibilidade de projetar soluções sólidas à base de diboreto de metal estáveis/metaestáveis ​​com propriedades mecânicas superiores e amplamente ajustáveis ​​para aplicações de revestimento duro.

Diboretos de metal duplo com fórmula química de M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\(_{2}\), onde M\(^{\prime }\) e M\(^{\prime \prime }\) são dois elementos metálicos distintos (Mg, Al, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ru, Os e Re, por exemplo) e 0 \(\leqslant\) x \(\leqslant\) 1, têm ganhado cada vez mais interesse nos últimos anos como materiais promissores de revestimento duro para ferramentas de corte , graças às suas elevadas estabilidades térmica e química, bem como às boas propriedades mecânicas1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Ultimamente foi demonstrado a partir dos aspectos teóricos e experimentais que, ao adicionar o segundo elemento metálico M\(^{\prime \prime }\) aos compostos diboretos M\(^{\prime }\)B\(_{ 2}\), as estabilidades e propriedades dos diboretos de metal duplo resultantes M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\ (_{2}\) pode ser significativamente melhorado e, portanto, tornar-se superior aos dos compostos constituintes de diboreto, seja M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) ou M\(^{\ primo \prime }\)B\(_{2}\)3,4,5,6,7,8,10,11,12,13. Por exemplo, ligando TaB\(_{2}\) com ZrB\(_{2}\) para formar filmes finos de Ta\(_{1-x}\)Zr\(_{x}\)B\ (_{2}\) resulta em melhoria na dureza e tenacidade dos filmes, em relação aos filmes TaB\(_{2}\) e ZrB\(_{2}\)7,10,13. Outro exemplo é que a introdução de átomos de Cr (Al) em filmes de ZrB\(_{2}\) (TiB\(_{2}\)) aumenta as resistências ao desgaste, à oxidação e à corrosão dos filmes, e as propriedades mecânicas dos filmes não estequiométricos resultantes de Zr\(_{1-x}\)Cr\(_{x}\)B\(_{y}\) (Ti\(_{1-x}\)Al\( _{x}\)B\(_{y}\)) pode ser melhorado ou ajustado através do controle da composição dos filmes6,8,11. O aprimoramento das estabilidades e propriedades mecânicas de M\(_{1-x}^{\prime }\)M\(_{x}^{\prime \prime }\)B\(_{2}\) com em relação a M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) e M\(^{\prime \prime }\)B\(_{2}\) foi sugerido como diretamente relacionado às mudanças no número de elétrons de valência preenchendo os estados eletrônicos de ligação e antiligação do material 14,15,16, controladas pela variação de M\(^{\prime }\)B\(_{2}\) e M\( Conteúdo ^{\prime \prime }\)B\(_{2}\), conforme demonstrado recentemente em Sc\(_{1-x}\)V\(_{x}\)B\(_{2 }\) exibindo estabilidade termodinâmica e propriedades mecânicas superiores, especialmente dureza, em comparação com ScB\(_{2}\) e VB\(_{2}\)12.