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Fases MAX

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 e 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.

Tabla periódica de la fase MAX
Elementos de la tabla periódica que reaccionan juntos para formar las notables fases MAX. Los cuadrados rojos representan los elementos M; el azul son los elementos A; el negro es X, o C y/o N.

Historia

En la década de 1960, H. Nowotny y sus colaboradores descubrieron una gran familia de carburos y nitruros estratificados ternarios, a los que llamaron fases 'H', [3] [4] [5] [6] ahora conocidas como '211'. ' Fases MAX (es decir, n = 1) y varias fases MAX '312'. [7] [8] El trabajo posterior se extendió a las fases '312' como Ti 3 SiC 2 y demostró que tiene propiedades mecánicas inusuales. [9] En 1996, Barsoum y El-Raghy sintetizaron por primera vez Ti 3 SiC 2 completamente denso y de fase pura y revelaron, mediante caracterización, que posee una combinación distintiva 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 todos de manera similar. En 2020, se publicó Mo 4 VAlC 4 (es decir, una fase '514' MAX), la primera gran ampliación de la definición de familia en más de veinte años. [1] Desde 1996, cuando se publicó el primer artículo "moderno" sobre el tema, se han logrado enormes avances en la comprensión de las propiedades de estas fases. Desde 2006, la investigación se ha centrado en la fabricación, caracterización e implementación de composites, incluidos los materiales de fase MAX. Dichos sistemas, incluidos los compuestos de fase MAX de aluminio, [11] tienen la capacidad de mejorar aún más la ductilidad y la tenacidad en comparación con el material de fase MAX puro. [12] [11]

Síntesis

La síntesis de compuestos y compuestos de fase MAX ternaria se ha realizado mediante diferentes métodos, incluida la síntesis por combustión, la deposición química de vapor, la deposición física de vapor a diferentes temperaturas y velocidades de flujo, [13] fusión por arco, prensado isostático en caliente, autopropagación a alta temperatura. síntesis (SHS), sinterización reactiva, sinterización por plasma por chispa, aleación mecánica y reacción en sal fundida. [14] [15] [16] [17] [18] [19] Se desarrolla un método de sustitución 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 en 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 a 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 rigidez a altas temperaturas. [26] Estas propiedades pueden estar relacionadas con la estructura electrónica y el enlace químico en las fases MAX. [27] Puede describirse como una alteración periódica de regiones de alta y baja densidad electrónica. [28] Esto permite el diseño de otros nanolaminados basados ​​en las similitudes de la 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 conductoras eléctricas y térmicas que el Ti. Esto también está relacionado con la estructura electrónica. [31]

Físico

Si bien las fases MAX son rígidas, se pueden mecanizar tan fácilmente como algunos metales. Todos ellos se pueden mecanizar manualmente con una sierra para metales, a pesar de que algunos de ellos son tres veces más rígidos que el titanio y tienen 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 termopotencia cero , 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 en capas de estos compuestos, [11] algunos, como Ti 3 SiC 2 y Ti 2 AlC, también son resistentes a la fluencia y a la fatiga , [34] y mantienen su resistencia a altas temperaturas. Exhiben una deformación única caracterizada por deslizamiento basal (recientemente se informaron evidencias de dislocaciones a fuera del plano basal y deslizamientos cruzados de dislocaciones en la fase MAX deformadas a alta temperatura [35] y dislocaciones c parciales de Frank inducidas por difusión de matriz de Cu). También se informaron [36] ), una combinación de deformación de bandas de torsión y corte, y delaminaciones de granos individuales. [37] [38] [39] Durante las pruebas mecánicas, se ha descubierto que los cilindros policristalinos de Ti 3 SiC 2 pueden comprimirse repetidamente a temperatura ambiente, hasta tensiones de 1 GPa, y recuperarse completamente al eliminar la carga mientras se disipan. 25% de la energía. Fue al caracterizar estas propiedades mecánicas únicas de las fases MAX que se descubrió la torsión de sólidos no lineales. El micromecanismo que se supone es responsable de estas propiedades es la banda de torsión incipiente (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 ávidos de suposiciones. De hecho, un estudio reciente demuestra que los bucles histeréticos reversibles cuando se ciclan policristales MAX también pueden explicarse por la respuesta compleja de la microestructura laminar muy anisotrópica. [40]

Aplicaciones potenciales

Referencias

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