.png/1280px-Projection_of_unit_cell_of_sigma_phase_with_CrFe_structure_along_c_axis_(Fe_atoms_are_orange).png)
Las fases topológicamente compactas ( TCP ) , también conocidas como fases de Frank-Kasper (FK) , son uno de los grupos más grandes de compuestos intermetálicos , conocidos por su compleja estructura cristalográfica y propiedades físicas. Debido a su combinación de estructura periódica y aperiódica, algunas fases TCP pertenecen a la clase de cuasicristales . Se han destacado las aplicaciones de las fases TCP como materiales estructurales y superconductores de alta temperatura ; sin embargo, aún no se han investigado lo suficiente para conocer los detalles de sus propiedades físicas. Además, su estructura compleja y a menudo no estequiométrica las convierte en buenos sujetos para cálculos teóricos.
En 1958, Frederick C. Frank y John S. Kasper, en su trabajo original de investigación de muchas estructuras de aleación complejas, [1] [2] demostraron que los entornos no icosaédricos forman una red abierta a la que llamaron esqueleto mayor, y que ahora se identifica como el lugar geométrico de declinación. Propusieron la metodología para empaquetar icosaedros asimétricos en cristales utilizando otros poliedros con números de coordinación mayores . Estos poliedros de coordinación se construyeron para mantener el empaquetamiento topológico cerrado (TCP). [3]
Basándose en las unidades tetraédricas , las estructuras cristalográficas de FK se clasifican en grupos poliédricos bajos y altos, denotados por sus números de coordinación (CN), que hacen referencia al número de átomos que centran el poliedro. Algunos átomos tienen una estructura icosaédrica con baja coordinación, denominada CN12. Otros tienen números de coordinación más altos, 14, 15 y 16, denominados CN14, CN15 y CN16, respectivamente. Estos átomos con números de coordinación más altos forman redes ininterrumpidas conectadas a lo largo de las direcciones donde la simetría icosaédrica quíntuple se reemplaza por una simetría local séxtuple. [4] Los sitios de coordinación 12 se denominan sitios menores y aquellos con una coordinación superior a 12 son sitios mayores. [1]
Los miembros más comunes de una familia de fases FK son: A15 , fases de Laves , σ, μ, M, P y R.
Las fases A15 son aleaciones intermetálicas con un número de coordinación promedio (ACN) de 13,5 y ocho átomos estequiométricos A3B por celda unitaria, donde dos átomos B están rodeados por poliédricos CN12 (icosaedros) y seis átomos A están rodeados por poliédricos CN14. El Nb3Ge es un superconductor con estructura A15.
Las tres fases de Laves son compuestos intermetálicos formados por poliedros CN12 y CN16 con estequiometría AB 2 , que se observan comúnmente en sistemas metálicos binarios como MgZn 2 . Debido a la baja solubilidad de las estructuras AB 2 , las fases de Laves son casi compuestos lineales, aunque a veces pueden tener una amplia región de homogeneidad.
La fase sigma (σ) es un compuesto intermetálico conocido como aquel que no tiene una composición estequiométrica definida y que se forma en un rango de relación electrón /átomo de 6,2 a 7. Tiene una celda unitaria tetragonal primitiva con 30 átomos. El CrFe es una aleación típica que cristaliza en la fase σ en la composición equiatómica. Con propiedades físicas ajustables en función de sus componentes estructurales o de su composición química, siempre que se dé una estructura determinada.
La fase μ tiene una estequiometría ideal A 6 B 7 , con su prototipo W 6 Fe 7 , que contiene una celda romboédrica con 13 átomos. Si bien se han identificado muchos otros tipos de aleaciones de Frank-Kasper, se siguen encontrando más. La aleación Nb 10 Ni 9 Al 3 es el prototipo de la fase M. Tiene un grupo espacial ortorrómbico con 52 átomos por celda unitaria. La aleación Cr 9 Mo 21 Ni 20 es el prototipo de la fase P. Tiene una celda ortorrómbica primitiva con 56 átomos. La aleación Co 5 Cr 2 Mo 3 es el prototipo de la fase R que pertenece al grupo espacial romboédrico con 53 átomos por celda. [5] [1]
Los materiales de fase FK se han destacado por su estructura de alta temperatura y como materiales superconductores. Su estructura compleja y a menudo no estequiométrica los convierte en buenos sujetos para los cálculos teóricos. A15, Laves y σ son las estructuras FK más aplicables con propiedades fundamentales interesantes.
Los compuestos A15 incluyen superconductores intermetálicos importantes como: Nb 3 Sn , Nb 3 Al y V 3 Ga con aplicaciones que incluyen cables para imanes superconductores de alto campo. [6] El Nb 3 Sn también se está investigando como un material potencial para fabricar cavidades de radiofrecuencia superconductoras .
Las pequeñas extensiones de fase σ disminuyen considerablemente la flexibilidad y el deterioro de la resistencia a la erosión . Si bien la adición de elementos refractarios como W , Mo o Re a las fases FK ayuda a mejorar las propiedades térmicas en aleaciones como aceros o superaleaciones a base de níquel , aumenta el riesgo de precipitación no deseada en compuestos intermetálicos. [7]