研究人员解决了一个关于超硬材料的60年前的谜题

时间:2020-07-03 20:18 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

研究人员解决了一个关于超硬材料的60年前的谜题

Skoltech的研究人员,连同他们的工业同事和学术伙伴,已经破解了20世纪60年代关于超硬硼化钨晶体结构的谜团,这种超硬硼化钨在工业应用中非常有用,包括钻井技术。这项由俄罗斯天然气工业股份公司科学技术中心支持的研究发表在《先进科学》杂志上。

20世纪中期,由于其硬度和其他令人着迷的机械性能,硼化钨首次引起了科学家的兴趣。一个长期存在的谜题是最高的W-B相的晶体结构,即所谓的WB4,它在实验模型和理论预测之间有很大的不同。

实验上,晶体结构是由x射线结构分析确定的。但由于重钨与轻硼在原子散射截面上存在较大差异,使得硼原子在过渡金属硼化物中的位置在x射线衍射中难以分辨。中子衍射可以解决这一问题,但任何衍射方法都只能给出平均结构。如果材料是无序的,只有结合实验技术(x射线、中子衍射)和材料科学的计算方法,才能获得其晶体结构的完整知识(包括原子的局部排列)。

2017年,Skoltech的Andrei Osiptsov和Artem R. Oganov提出了一个想法,寻找用于生产安装在钻头上的复合刀具的超硬材料,这种刀具用于钻井和气井。这个想法很受Gazpromneft STC LLC的欢迎,该公司,Skoltech和RAS的Vereshchagin高压物理研究所之间的合作开始了。由Skoltech和MIPT的Artem R. Oganov领导的研究人员预测了WB5的存在,即五硼化钨,它比广泛使用的碳化钨更硬,具有相当的断裂韧性。该化合物在韦列夏金研究所的实验室成功合成,完成了研究循环。在这篇新论文中,Oganov和他的同事证明了长期争论的WB4和最新预测的WB5实际上是同一种物质。

“我们研究W-B系统是为了预测高硼化钨的稳定结构,因为我们已经知道这个长期存在的谜团。预测一种新的WB5结构是令人惊讶的,特别是它具有令人兴奋的性能,如高维氏硬度和断裂韧性,并在非常高的温度下保持稳定。然后我们认为这种材料应该在工业上得到应用。我们韦列夏金研究所的同事成功地合成了它。衍射图形与理论预测非常吻合,除了在理论上存在一些弱峰,但在实验中没有。Kvashnin解释说:“我们预测的WB5具有完美的单晶结构,但正如我们所展示的,实验产生了一种紧密相关的无序WB5-x材料。”

研究者合成这种新材料,测量其属性,并显示一个意想不到的连接之间的两个化合物:新材料的晶体结构来源于WB5结构,有一定的障碍和非化学计量性(这意味着比例的元素成分不能被表示为一个小整数数字)的比例。因此,新材料不是WB4,而是WB5?x。它的晶体结构由USPEX精确地预测出来,USPEX是由Oganov和他的学生开发的一种进化算法,并通过微观晶格模型加以阐述。

由于WB5-x相对容易合成,其优异的力学性能和高温稳定性使其在过去90年钨碳基复合材料占主导地位的许多技术中成为一种非常有前途的材料。

“这个谜题已经被详细地解决了。我们对这种材料和它的结构有详细的微观描述,我们知道它可以采用的化学成分的范围和它的性质。其他令人兴奋的谜题正在等待理论家们的注意,”Artem R. Oganov说。

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