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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13631 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Les céramiques MX de type B1 sont composées de métaux de transition (M) et C, N et/ou O (X) occupant respectivement les sites M et X et ayant des liaisons M-X plus proche voisin (NN) et M-M et X – X obligations du prochain voisin le plus proche (NNN). La substitution des éléments et la formation de lacunes structurelles dans les céramiques de type B1 modifient le nombre et la force des liaisons, conduisant à de nouvelles propriétés. Le changement du module élastique du TiC non stœchiométrique en équilibre avec une phase de solution solide Ti – Mo a été étudié expérimentalement sur la base de la règle des mélanges du modèle Voigt. Les valeurs obtenues expérimentalement concordaient bien avec les résultats des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité. Le module de masse (K) du TiC a augmenté de 205,6 à 239,2 GPa à mesure que la fraction de sites Ti occupés par Mo augmentait de 0,11 à 0,33, tandis que le module d'Young (E) et le module de cisaillement (G) restaient presque constants. D’autre part, les trois modules d’élasticité diminuent avec l’augmentation du taux de lacunes sur les sites C. Ces résultats suggèrent que la force de liaison M – X devrait être le facteur dominant dans ces modules et que l'effet de la liaison M – M sur K est supérieur à celui de G et E.

Les composés MX de type B1 composés de métaux de transition (M) et C, N et/ou O (X), occupant respectivement les sites M et X, principalement avec des liaisons covalentes M-X, présentent des propriétés matérielles attrayantes, telles qu'une faible densité, point de fusion élevé, dureté élevée, bonne résistance à l'usure et conductivité électrique modérée1,2,3. Par conséquent, ces phases céramiques sont largement utilisées dans les couches minces, comme revêtements pour outils de coupe, comme phases dures dans les cermets, etc., et on les retrouve également sous forme de précipités nanométriques dans certains aciers2,4,5,6,7,8. Un inconvénient des composés de type B1 est leur fragilité ; par exemple, la ténacité à la rupture du TiC stoechiométrique n'est que d'environ 3 MPa(m)1/29,10. Si cette faible ténacité pouvait être améliorée sans diminution correspondante de la résistance, les applications des céramiques résultantes se développeraient davantage en tant que matériaux à ultra haute température pouvant être utilisés pour améliorer l'efficacité énergétique des turbines à gaz et des moteurs à réaction et pour les systèmes de protection thermique. dans les corps des engins spatiaux11,12,13,14,15.

Les composés MX de type B1 peuvent présenter des degrés de non-stoechiométrie relativement élevés par rapport à d'autres céramiques, telles que les phases SiC et MAX . Par exemple, la région de composition de Ti2AlC est très étroite dans le système ternaire Ti – Al – C, même à 1 300 °C18. D'autre part, la région de phase TiC dans le système ternaire Mo – Ti – C s'étend à la fois vers les régions riches en Ti et riches en Mo, et ces hors-stoechiométries modifient les propriétés du matériau en modifiant les types et le nombre de liaisons dues à la substitution élémentaire et à la formation de lacunes structurelles19.

Dans le domaine des composés intermétalliques, il existe une longue histoire d'études sur la façon dont les propriétés des matériaux changent en raison de la stœchiométrie. Par exemple, les composés intermétalliques de type B2 ont été largement étudiés pour les effets de la stœchiométrie sur leurs structures et propriétés de défauts20,21,22,23,24,25,26,27. Ici, il est bien connu que la structure des défauts des composés MX de type B1 est du type lacune dans la région riche en métaux de transition . Dans les premières études, les changements dans l'énergie de liaison et la structure de bande du TiC non stœchiométrique avaient déjà été discutés . Au cours des deux dernières décennies, les stabilités de phase et les modules d'élasticité des composés MX de type B1 liés à la structure des défauts ont été étudiés au moyen de calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT)34,35,36,37. Les propriétés élastiques des composés MX multicomposants de type B1 avec des lacunes38,39 ou sans lacunes40,41,42,43 ont également été étudiées au moyen de calculs DFT. Il est plus significatif d'étudier plus en détail l'effet hors stœchiométrique avec des lacunes structurelles sur les propriétés matérielles des composés MX à plusieurs composants de type B1, de manière expérimentale et informatique.