Super-réseaux de diborure de métal de transition en céramique présentant une ductilité et une ténacité améliorées, examinés par des calculs ab initio

Jul 25, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12835 (2023) Citer cet article

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La fragilité inhérente, qui conduit facilement à la formation et à la propagation de fissures pendant l'utilisation, constitue un problème sérieux pour les applications de protection en couches minces de céramique. Les architectures de super-réseaux, avec des couches alternées de nm d'épaisseur de matériaux généralement plus mous/plus rigides, se sont révélées être une méthode efficace pour améliorer les performances mécaniques, par exemple, des céramiques cubiques de nitrure de métal de transition. En utilisant des calculs de principes premiers à haut débit, nous proposons que les structures de super-réseaux sont également prometteuses pour améliorer les propriétés mécaniques et la résistance à la rupture des diborures de métaux de transition avec deux phases hexagonales concurrentes, \(\alpha\) et \(\omega\). Nous étudions 264 combinaisons possibles de \(\alpha /\alpha\), \(\alpha /\omega\) ou \(\omega /\omega\) MB\(_2\) (où M \(=\) Al ou métaux de transition du groupe 3 à 6) super-réseaux de diborure. Sur la base de considérations de stabilité énergétique, ainsi que de restrictions concernant l'inadéquation du module de réseau et de cisaillement (\(\Delta a<4\%\), \(\Delta G>40\) GPa), nous sélectionnons 33 systèmes de super-réseau pour des investigations plus approfondies. Les systèmes identifiés sont analysés en termes de stabilité mécanique et de constantes élastiques, \(C_{ij}\), où ces dernières fournissent une indication de la résistance dans le plan et hors du plan (\(C_{11}\), \(C_{33}\)) et la ductilité (\(C_{13}-C_{44}\), \(C_{12}-C_{66}\)). La capacité du super-réseau à résister au clivage fragile le long des interfaces est estimée par la formule de Griffith pour la ténacité. Le type \(\alpha /\alpha\)-type 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) , et \(\alpha /\omega\)-type AlB\(_2\)/MB\(_2\) (M \(=\) Nb, Ta, Mo, W), sont suggérés comme les candidats les plus prometteurs fournissant à l'échelle atomique pour une ténacité et une résistance accrues à la croissance des fissures.

Les calculs ab initio ouvrent la voie à de nouvelles approches de conception permettant de supprimer le comportement indésirable des matériaux dans de nombreuses applications et sont donc essentiels pour accélérer les processus technologiques modernes. En particulier dans le domaine des films céramiques minces, notamment les carbures, nitrures et diborures de métaux de transition, les prédictions ab initio sont considérées comme des indicateurs de tendance utiles1,2,3,4 et complètent presque régulièrement les études expérimentales5,6,7,8. Nos travaux se concentrent sur les diborures de métaux de transition (MB\(_2\)s) qui appartiennent aux céramiques à ultra haute température (UHTC) et sont attractifs pour leur dureté élevée, leur bonne résistance à l'usure abrasive et érosive ainsi qu'une excellente résistance à l'oxydation et à la corrosion9, 10,11,12,13. À l’échelle atomique, ces propriétés proviennent de fortes liaisons covalentes et ioniques-covalentes entre les atomes de bore et de métaux de transition1,14 et, dans le cas de films minces, peuvent également être attribuées à la structure nanocomposite unique5,6. Les films minces MB\(_2\), cependant, présentent une capacité limitée à se déformer plastiquement lorsqu'ils sont soumis à des charges mécaniques et thermiques, ce qui entraîne une initiation/propagation facile des fissures et conduit finalement à une défaillance permanente.

Les deux dernières décennies ont apporté plusieurs concepts visant à supprimer le comportement fragile et la propagation des fissures lors de la déformation de films céramiques minces. Les approches dites « intrinsèques » appliquées aux films minces de nitrure, de carbure et de diborure de métaux de transition sont basées sur l'alliage sur un sous-réseau de métal de transition15,16, ou sur un durcissement induit par des lacunes17,18 qui diminuent la rigidité élastique (se manifeste généralement par un module d'indentation plus faible). ) et réduit la tendance à la formation de fissures. D'autres approches « extrinsèques » reposent sur la formation de structures multicouches présentant une hétérogénéité spatiale assurant une dissipation efficace de l'énergie accumulée au voisinage d'une fissure préexistante. Dans les structures en super-réseau, la propagation des fissures est déviée et atténuée par les interfaces entre les couches flexibles et rigides 19, ou les fissures sont retardées par les interfaces formées par une alternance en forme de saut de la direction de croissance lors du dépôt (morphologie en forme de chevron) 20.