El diboruro de renio (ReB 2 ) es un material sintético de alta dureza que se sintetizó por primera vez en 1962. [3] [4] El compuesto se forma a partir de una mezcla de renio , conocido por su resistencia a la alta presión, y boro , que forma enlaces covalentes cortos y fuertes con el renio. Ha recuperado popularidad en los últimos tiempos con la esperanza de encontrar un material que posea una dureza comparable a la del diamante . [5]
A diferencia de otros materiales sintéticos de alta dureza, como el c-BN, el diboruro de renio se puede sintetizar a presión ambiente , [4] lo que simplifica potencialmente la producción en masa . Sin embargo, el alto costo del renio y la disponibilidad comercial de alternativas como el c-BN policristalino hacen que la perspectiva de aplicaciones a gran escala sea menos probable. [4]
El ReB2 se puede sintetizar mediante al menos tres métodos diferentes a presión atmosférica estándar: metátesis en estado sólido , fusión en un arco eléctrico y calentamiento directo de los elementos. [5]
En la reacción de metátesis, el tricloruro de renio y el diboruro de magnesio se mezclan y calientan en una atmósfera inerte y el subproducto cloruro de magnesio se elimina por lavado. Se necesita un exceso de boro para evitar la formación de otras fases como Re 7 B 3 y Re 3 B.
En el método de fusión por arco se mezclan polvos de renio y boro y se hace pasar una gran corriente eléctrica a través de la mezcla, también en una atmósfera inerte.
En el método de reacción directa, la mezcla de renio y boro se sella al vacío y se mantiene a una temperatura alta durante un período más largo (1000 °C durante cinco días).
Al menos los dos últimos métodos son capaces de producir ReB 2 puro sin ninguna otra fase, como lo confirma la cristalografía de rayos X.
El diboruro de renio se cita ocasionalmente, y de manera controvertida, [4] [6] como un " material superduro " debido a su alto nivel de dureza. Sin embargo, probado en la región de dureza asintótica, como se recomienda para materiales duros y superduros, [ 4] el diboruro de renio demuestra una dureza Vickers de solo 30,1 ± 1,3 GPa a 4,9 N, muy por debajo del umbral generalmente aceptado de 40 GPa o más necesario para clasificarlo como "superduro". [4] Otra investigación ha estimado la Hv del ReB 2 denso completo en aproximadamente 22 GPa bajo una carga aplicada de 2,94 N, [6] comparable a la del carburo de tungsteno , carburo de silicio , diboruro de titanio o diboruro de circonio . [6]
Valores superiores a 40 GPa se han observado sólo en pruebas con cargas muy bajas, lo que no es un método de prueba adecuado para este tipo de sólidos. [4] En una prueba, la carga probada más baja de 0,49 N arrojó una dureza media de 48 ± 5,6 GPa y una dureza máxima de 55,5 GPa, que es comparable a la dureza del nitruro de boro cúbico (c-BN) bajo una carga equivalente. [5] Tal fenómeno de relación inversa entre la carga aplicada y la dureza se conoce como el efecto del tamaño de la indentación . [5]
En los últimos tiempos, ha habido una cantidad significativa de investigación para mejorar la dureza y otras propiedades del ReB 2 . En un estudio, la dureza para el polimorfo ReB 2 (R-3m) se estimó en 41,7 GPa, mientras que para el ReB 2 (P6 3 /mmc) se situó en ca 40,6 GPa. [7] En otro estudio, se fabricó un nanopolvo compuesto cerámico B 4 C - 27 % en peso ReB 2 completamente denso mediante sinterización por plasma de chispa . Ha mostrado una microdureza de 50 ± 3 GPa bajo una carga de 49 N en la región de dureza asintótica y tenía una densidad de 3,2 g/cm 3 , comparable con la dureza y la densidad del c-BN. [8]
La dureza del ReB 2 exhibe una anisotropía considerable debido a su estructura en capas hexagonales , siendo mayor a lo largo del eje c . Dos factores contribuyen a la alta dureza del ReB 2 : una alta densidad de electrones de valencia y una abundancia de enlaces covalentes cortos . [5] [9] El renio tiene una de las densidades de electrones de valencia más altas de cualquier metal de transición (476 electrones/nm 3 , en comparación con los 572 electrones/nm 3 del osmio y los 705 electrones/nm 3 del diamante [10] ). La adición de boro requiere solo una expansión del 5% de la red de renio porque los pequeños átomos de boro llenan los espacios existentes entre los átomos de renio. Además, las electronegatividades del renio y el boro son lo suficientemente cercanas (1,9 y 2,04 en la escala de Pauling ) como para formar enlaces covalentes en los que los electrones se comparten casi por igual.