Интерметаллиды

Ссылки [ править ]

• Герхард Заутхофф: Интерметаллиды, Wiley-VCH, Weinheim 1995, 165 страниц.

1. ^
2. Группа по разработке интерметаллических сплавов, Комиссия по инженерным и техническим системам (1997). . Национальная академия прессы. п. 10. ISBN
3. Soboyejo, WO (2003). «1.4.3 Интерметаллиды». . Марсель Деккер. ISBN
4. Электроны, атомы, металлы и сплавы W. Hume-Rothery Publisher: Louis Cassier Co. Ltd 1955
5. GER Schulze: Metallphysik, Akademie-Verlag, Berlin 1967
6. Коттон, Ф. Альберт ; Уилкинсон, Джеффри ; Мурильо, Карлос А .; Бохманн, Манфред (1999), Advanced Inorganic Chemistry (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-19957-5
7. . Экономист . 7 февраля 2015 года . Проверено 5 февраля 2015 года . E02715
8. Soboyejo, WO (2003). «12.5 Разрушение интерметаллидов». . Марсель Деккер. ISBN
9. Мурарка С.П. Теория и практика металлизации для СБИС и ULSI . Баттерворт-Хайнеманн, Бостон, 1993.
10. Милтон Оринг, Материаловедение тонких пленок , 2-е издание, Academic Press, Сан-Диего, Калифорния, 2002, стр. 692.

История

В начале XIX — го  века, когда были сделаны первые исследования, многие ученые заметили, что поведение некоторых композиций сплава были аналогичны химических соединений Коммон.
В 1839 году Карл Карстен  (en) впервые обнаружил интерметаллическое соединение. При эквиатомном составе сплава меди и цинка он заметил неоднородность действия кислот и предположил образование соединения, известного сегодня как CuZn (β-латунь) или латунь. Во второй половине XIX — го  века, подобные наблюдения были сделаны с поведенческими изменениями из — за свойства электрического, механического, магнитная и химического различным для определенной стехиометрии .

Немецкий металлург Густав Генрих Тамман  (in) показал существование интерметаллидов и проанализировал их свойства. Его работа была направлена ​​на обобщение бинарных множеств и изучение природы интерметаллических фаз для большого числа систем.
Ранее интерметаллические соединения определялись термическим анализом и анализом остатков после химической атаки. Также были изучены его физические свойства, такие как плотность, удельное сопротивление, теплопроводность, твердость и термоэлектрическая мощность . Николай Курнаков  (in), великий русский металлург, внес вклад в физико-химический подход к анализу соединений путем определения фазовых диаграмм, облегчая понимание свойств составов, природы и стабильности интерметаллидов.
В 1900 году был опубликован список из тридцати интерметаллидов бинарных систем. В 1906 г. тройные соединения CdHgNa и Hg ₂ KNaбыли идентифицированы до наблюдения тройных, четвертичных (четыре элемента) и пятикомпонентных (пять элементов) соединений. Они часто являются результатом замещений в тройных соединениях, таких как Ce ₃ Cu _x Pt _1-x Sb ₄, который происходит из Ce ₃ Pt ₃ Sb ₄.

Британский металлург Деш был первым, кто суммировал результаты теоретических ожиданий в отношении понимания строения интерметаллических соединений. Хьюм-Розери внес вклад в изучение большой группы интерметаллидов. Одна из новых попыток систематизировать интерметаллиды была предпринята немецким химиком Эдуардом Цинтлем  (en), который предложил различать интерметаллиды по природе связей, которые могут быть ионными, ковалентными, металлическими или их комбинацией. В 1930-х годах он работал над фазами Zintl, носящими его имя.
Различные факторы, влияющие на конструкции, основанные на геометрических принципах, были изучены немецким ученым Фрицем Лавесом в 1956 году:

• принцип заполнения пространства показывает, что металлы, как правило, принимает конфигурацию, которая дает им лучшее координируются, когда они кристаллизуются, то есть расположения гранецентрированной кубической или гексагональную . В фазах Франка-Каспера учитывается не количество атомов в прямой координации, а, скорее, координационный объем каждого атома, поскольку структуры содержат атомы разного объема;
• принцип симметрии указывает на то, что, если конфигурация, которая занимает пространство лучше не представляется возможным из — за таких факторов, как температура, металл будет принимать наиболее симметричную конфигурацию доступной, то есть сказать координации 8;
• принцип связи указывает на то, что атомы образуют связь со своим ближайшим соседом. Образованная связь называется однородной, если два атома идентичны, или неоднородной, если они различны.

В 1958 году Франк и Каспер дали название типу структуры, также называемой топологически компактной . В эту категорию входят несколько типов структур, например структура Cr ₃ Si (A15) или фазы Лавеса. Это структуры, в которых атом расположен в центре неправильного многогранника, состоящего только из треугольных граней.

Области применения

Подходящие покрытия: турбины

В результате синтеза интерметаллидов присутствовали только как преципитатов в более сложных сплавов (например, в никель- основе суперсплавов, как Inconels ). Эти выделения играют важную роль, в частности, в механическом усилении сплавов упрочнением при старении . Впоследствии эти фазы были выделены, охарактеризованы и использовались с 1960-х годов как основной компонент деталей, а не как вторичная фаза.

Некоторые интерметаллиды, например Ni ₃ Al, обладают высокой механической стойкостью при высоких температурах благодаря упорядоченной кристаллической структуре . Упорядоченная структура демонстрирует превосходные свойства при повышенной температуре из-за упорядоченной на больших расстояниях сверхструктуры, которая снижает подвижность дислокаций и процессы диффузии при повышенных температурах. Это свойство делает его идеальным для специальных применений, таких как слои покрытия в газовых турбинах и реактивных двигателях.

Сверхпроводники

Интерметаллид Nb ₃ Sn.

Некоторые интерметаллическое имеют очень хорошие магнитные свойства и особенности сверхпроводящих свойств: в случае Nb ₃ Sn и ниобий-титана сверхпроводящей при -270  ° С . Они используются, в частности, в проекте ИТЭР, для которого требуется более 10 000 тонн сверхпроводящих систем для создания магнитного поля, которое будет создавать, ограничивать и моделировать плазму внутри токамака. Ниобий-олово используется для катушек тороидального поля и для центрального соленоида, а ниобий-титан используется для катушек полоидального поля 13,14 . Улучшение LHC, также называемого LHC высокой яркости (HL-LHC), позволяет достичь мгновенной яркости в пять раз большей, чем те, которые в настоящее время достигаются за счет использования магнитных полей до 12  Тл . Для этого мы должны разработать сверхпроводящие магниты, способные генерировать магнитные поля более 10  т . Это элемент ниобий-олово, который был выбран за счет ниобия-титана, потому что он создает магнитные поля ниже 10  Тл . Кабели Nb ₃ Sn используются для катушек магнитов HL-LHC. Однако необходимо сформировать эти кабели из нитей Nb ₃ Sn и намотать их в бухты. Окончательное решение — создать трапециевидные катушки, чтобы иметь более высокую плотность тока 15 .

Хранение водорода

Альтернатива ископаемым ресурсам, водород, кажется, станет энергетическим вектором будущего. Некоторые интерметаллические соединения участвуют в этом процессе, в частности, при хранении твердых веществ.
Для этого подходят три типа CIM. Это определенные стехиометрические соединения, которые подразделяются следующим образом:

• типы АВ;
• AB ₂ фазы Лавеса типа  ;
• Фазы Хаука типа AB _5, такие как соединение LaNi ₅ .

В случае фаз Хаука водород локализуется в тетраэдрических узлах .

Сплавы с памятью формы: биомедицинские

Благодаря своим различным свойствам, таким как коррозионная стойкость или механизм деформации, соединение TiNi очень похоже на ткани человека. Получение этих свойств связано с кристаллографическим превращением при комнатной температуре: таким образом, возникает сплав с памятью формы. Однако проблема остается, особенно при длительном нахождении в организме человека. Действительно, химическая и механическая нестабильность из-за присутствия водорода в теле приводит к потере его первого качества: сплава с памятью формы. В настоящее время ведутся многочисленные исследования, чтобы найти решение, и оно может принести пользу в нескольких областях применения: ортопедия, ортодонтия и  т. Д.

Понятие, химические связи, примеры интерметаллидов

Прежде всего, дадим определение этому веществу — это соединение двух или нескольких сплавов металлов в единый элемент. Осуществляется это за счет внешнего воздействия на исходные компоненты на специальном оборудовании несколькими способами, а именно:

• посредством взаимной диффузии двух, трех или более веществ;
• при термической обработке;
• при перемещении части одной части твердого раствора в другой;
• за счет механической обработки и распаде насыщенного раствора;
• применяя деформацию пластическую;

Интерметаллиды отличаются не совсем обычными химическими связями. Дело в том, что в зависимости от состава и характеристик каждого из первоначальных составляющих, складывается жесткость и прочность их кристаллических решеток

Обратим внимание, что характеристика этих сплавов заметно отличается от состава первичных металлов, которые послужили основой. Фактически образуется не одно, а несколько соединений в одном «флаконе»

Причем новое вещество вобрало в себя все характеристики первоначальных материалов, которые в новой структуре в некоторых случаях имеют более выраженный характер.

Чем исходные компоненты более разняться по своим химическим и физическим параметрам, электроотрицательности тем более прочные будут межкристаллические связи в конечном продукте. Кроме того, в них обязательно будет присутствовать значительный экзотермический эффект. Основной параметр, провоцирующий возникновение определенного структурного типа для этих сплавов — отношение радиусов компонентов. Характеристики таких соединений обычно не постоянно подчиняется правилам валентности, можно сказать, что эти металлы имеют индивидуальную структуру.

Внутренняя структура рассматриваемых сплавов зависит от фактуры атомов и обладает хорошей устойчивостью в пределах области гомогенности. По составу выделяют соединения:

• электронные (фазы Юм-Розера);
• с спрессованными компонентами (фазы Лавеса);
• ионные (фазы Зинтля);

По своей природе интерметаллиды бывают дальтониды и бертоллиды. В первом случае они имеют постоянный состав во втором – переменный.

Свойства интерметаллидов

Данный параметр зависит в основном от жесткости и конфигурации химической связи, нежели от структуры первоначальных составляющих этих сплавов, из которых они произошли. Если сравнивать их показатели, то больше всего по своим характеристикам, например ионные интерметаллиды схожи с солями. Интерметаллид, где преобладает металлическая связь, больше напоминает по своим параметрам с металлами.

Первая категория (ионные интерметаллиды) обладает следующими свойствами:

• невысокой проводимостью электрического тока;
• повышенной температурой плавления;
• присутствием на диаграммах, так называемых областей гомогенности;
• устойчивостью к воздействию агрессивных веществ, растворов, газов.

Второй группе (металлические интерметаллиды) присущи несколько отличные параметры исходя из более прочной межкристаллической связи. К их особенностям следует отнести:

• хорошую податливость к пластической деформации;
• хрупкость сплава;
• более низкую температуру плавления по сравнению с ионными;
• поддаются без проблем к механической обработке на станках; твердость и ударопрочность.

Еще один важный аспект – при соединении неметаллов с металлами получается отличный проводниковый эффект. Применяя их токопроводящих конструкциях, высокое напряжение постоянного и переменного тока не будут влиять на их свойства. Это сегодня чрезвычайно востребовано в электротехнической и добывающих отраслях.

Синтез

Интерметаллические соединения образуются, когда атомы сплава имеют большую разницу в электроотрицательности  ; электронная плотность становится неоднородной, связь перестает быть строго металлической, а становится частично ковалентной или ионной .

Синтеза требует высокого уровня чистоты металлических образцов. После их кондиционирования проводится первая обработка этих материалов. Это может включать удаление следов оксидов или даже уплотнение металлического порошка для облегчения обращения с ним в будущем.

Индукционная печь.

Существует множество методов синтеза: плавление ( плавление металлов ) индукционным способом, механическое измельчение или порошковая металлургия .

При индукционной плавке при подаче переменного тока на катушку происходит диффузия тепла, и имеется система охлаждения, предотвращающая перегрев катушки . Затем мы помещаем нашу смесь металлов в тигель, чтобы расплавить ее. Наконец, когда металл плавится, смеси дают возможность гомогенизироваться . Что касается второго метода, получение интерметаллического соединения включает измельчение нескольких соединений или чистых элементов, присутствующих в форме порошка, размер которых варьируется от 1 до 30 микрометров. Эта процедура проходит при низкой температуре. Наконец, в порошковой металлургии мы стремимся получить соединение только через три стадии: смешивание порошков, холодное прессование и спекание . Для этого, и в отличие от предыдущих методов, у нас не будет никаких слияний.

Применение

Спектр использования интерметаллидов весьма широк. Из них выпускают разнообразные компоненты и детали оборудования, агрегатов. Причем изделия, производимые из них, отличаются прекрасными эксплуатационными параметрами.

Например, их алюминиевая разновидность (отличающаяся небольшим весом и прекрасной защитой от межкристаллической коррозии), в составе которых присутствует титан, нашла свое применение в авиастроении и космической промышленности. Из них выпускают разнообразные технические узлы самолетов, космических кораблей. Они незаменимы при монтаже сотовых конструкций реактивных военных самолетов, изготовлении деталей фюзеляжа, сопел форсажных камер. Их применяют при прокладке трубных коммуникаций внутри летальных аппаратов, опор механических узлов, корпусов турбин. Прекрасно они себя зарекомендовали при сооружении обшивки воздушных и космических судов, зондов и спутников. Отметим, что изоляция, произведенная на основе интерметаллических сплавов, без проблем выдерживает экстремальные температуры, не разрушается в безвоздушном пространстве, имеет минимальную степень теплового расширения.

Турбокомпрессоры и отдельные детали двигатели транспортных средств выполнены из высококачественных интерметаллидов. Эти материалы не только обеспечивают длительный срок службы данных агрегатов (роторов, поршней, нагревательных труб) где, но и улучшают их эксплуатационные показатели и облегчая их массу (если речь идет об алюминии). Интерметаллиды SmCo 5, Fe 3 Ni, задействованы при производстве магнитных материалов, которые применяется электрической технике и при сборке высокоточного оборудования.

Такие продукты как Nb 3 Ge, V 3 Si являются великолепными сверхпроводниками, используемыми в электротехнической и металлургической промышленности, наукоемких производствах. Их закупают для нужд атомной энергетики, при выпуске летательных аппаратов, компьютерной техники микросхем для радио-, и микроэлектроники.

LaNi 5, CeMg 12. – являются аккумуляторами водорода. Они нашли свое применение в химической индустрии. Их задействуют при создании жаропрочного оборудования соприкасающегося с разными (часто агрессивными) реагентами и растворами. Применяют при создании водородной техники, нагревательных и топливных элементов.

Еще одни направлением их использования является медицина. В статмологии они прекрасно себя зарекомендовали при изготовлении зубных имплантатов. Нередко их применяют для производства инструментария и оборудования, для больниц, лечебно-профилактических центров.

С уверенностью можно констатировать, что интерметаллиды весьма популярные сплавы, повсеместно применяемые в различных областях хозяйственной деятельности человека. Они доказали свою практичность и износостойкость благодаря своим прекрасным эксплуатационным характеристикам. Изобретение этих материалов предопределило экономический прорыв в ряде современных производств.

Рейтинг: /5 —
голосов

Рекомендации

1. ↑ и (ru) С. Полина, Электронное строение и свойства некоторых соединений фаз лавы, т.  2,1992 г., 23  с. , стр.  1-5.
2. .
3. .
4. Борен Б., Аркив кеми минерал: Геол. , т.  11А,1933 г., стр.  10.
5. (in) на сайте atomic-scale-physics.de (по состоянию на 25 ноября 2017 г. ) .
6. ↑ и (en) Ашок К. Синха, Топологически плотноупакованные структуры сплавов переходных металлов ,1972 г., 185  с. , стр.  88-91; 93-104.
7. , опубликованная Юргеном Гарче, Крисом К. Дайером, Патриком Т. Мозли, Дземпачи Огуми, Дэвидом А.Дж. Рэндом и Бруно Скросати, Newnes, 20 мая 2013 г., 4538  стр.
8. ↑ и Жан-Марк Жубер, Термодинамическое и структурное исследование тройной системы Zr-Ni-Cr (Zr <50 ат.%) И ее равновесия с водородом: электрохимические приложения ,1995 г., 202  с. , стр.  15-19.
9. (in) на сайте atomic-scale-physics.de (по состоянию на 30 ноября 2017 г. ) .
10. (in) на atomic-scale-physics.de (по состоянию на 30 ноября 2017 г. ) .
11. (in) на atomic-scale-physics.de (по состоянию на 30 ноября 2017 г. ) .
12. .
13. .

• Интерметаллические соединения, т. 3: Progress, под редакцией JH Westbrook и RL Fleischer, John Wiley & Sons, Chichester, 2002, 1086  p.
• Интерметаллические соединения — принципы и практика, под редакцией JH Westbrook и RL Fleischer, John Wiley & Sons, Chichester, 1995, 2 vol.
• G. Sauthoff, Intermetallics, Wiley-VCH, Weinheim, 1995, 165  с.

Состав

Структура типа Cr ₃ Si (A15) черным цветом: Si, синим: Cr.

На сегодняшний день обнаружено более 2600 типовых структур. Некоторые могут содержать до нескольких сотен соединений, в то время как другие уникальны. Некоторые соединения имеют относительно простую структуру, в то время как другие имеют более сложную сетку.

Структура Cr ₃ Si

Структура Cr ₃ Siили (A15) был открыт Бореном в 1933 году. Эта структура часто встречается со стехиометрией A ₃ Bи принадлежит к пространственной группе Pm-3m и содержит восемь атомов на ячейку . Позиции атомов структуры следующие:

• два атома B в положениях: (0, 0, 0) и (½, ½, ½);
• шесть атомов A в положении: (, 0, ½); (½, ¼, 0); (0, ½, ¼); (, 0, ½); (½, ¾, 0); (0, ½, ¾)

Структура CaCu ₅

Это гексагональная структура, атомы которой занимают следующие позиции:

Структура типа CaCu ₅, серым: Cu, черным: Ca.

• (А) 1а (0, 0, 0)
• (B) 2c (⅔, ⅓, 0) и (⅓, ⅔, 0)
• (B) 3g (0, ½, ½), (½, 0, ½) и (½, ½, ½).

Элемент A может быть редкоземельным металлом, актинидом, щелочью или даже щелочноземельным металлом, а элемент B — переходным металлом серии 3d (Fe, Co, Ni, Cu, Zn), 4d (Rh, Pd, Ag ) или 5d (Ir, Pt, Au).
Существует около сотни бинарных соединений, которые кристаллизуются в этой форме. Общим свойством большинства этих соединений является хранение водорода . Можно упомянуть пример никеля лантана, который особенно эффективен для поглощения водорода.

Структура фаз Лавеса

Структура типа W6Fe7 с Fe синим цветом и W красным.

В фазах Лавеса  (в) имеют стехиометрии AB ₂ и кристаллизуется в трех различных структурах:

• MgCu ₂ (кубический);
• MgZn ₂ (гексагональный);
• MgNi ₂ (гексагональный).

Эти структуры соответствуют компактным стопкам для отношения R _A / R _B = 1,225.

Структура MgCu ₂

Атомы B объединяются в тетраэдры, и каждый тетраэдр соединяется вершинами. Затем атомы А будут организовывать себя в свободных пространствах тетраэдров и образуют алмазный как сеть . Следовательно, имеется 8 атомов A и 16 атомов B, так что 24 атома на сетку и 8 AB _{2 единицы} на сетку. Решетка является гранецентрированной кубической, а пространственная группа структуры — Fd-3m.

Структура типа MgZn ₂ с Mg синим и Zn серым.

Структура MgZn ₂

Атомы B расположены в тетраэдры, но на этот раз тетраэдры поочередно соединены вершинами и основаниями. Сеть шестиугольная, с параметром c / a = 1,633 и пространственной группой P6 ₃ / mmc. Теперь на каждый стежок приходится 4 рисунка.

Структура MgNi ₂

Структура MgNi ₂ также гексагональная, как и структура MgZn2  ( дюйм ), но с двойной сеткой вдоль оси c. Пространственная группа остается неизменной: P6 ₃ / mmc, однако параметр c / a удваивается и равен 3,266.

Свойства и приложения

Интерметаллические соединения обычно хрупкие при комнатной температуре и имеют высокие температуры плавления. Режимы раскола или межкристаллитного разрушения типичны для интерметаллидов из-за ограниченных независимых систем скольжения, необходимых для пластической деформации. Однако есть несколько примеров интерметаллидов с вязкими режимами разрушения, таких как Nb – 15Al – 40Ti. Другие интерметаллиды могут проявлять улучшенную пластичность за счет легирования с другими элементами для увеличения когезии границ зерен. Легирование других материалов, таких как бор, для улучшения когезии границ зерен может улучшить пластичность многих интерметаллидов. Они часто предлагают компромисс между керамическими и металлическими свойствами, когда твердость и / или устойчивость к высоким температурам достаточно важны, чтобы принести в жертву прочность и простоту обработки. Они также могут демонстрировать желаемые магнитные, сверхпроводящие и химические свойства из-за их сильного внутреннего порядка и смешанной ( металлической и ковалентной / ионной ) связи соответственно. Интерметаллиды привели к появлению различных новых материалов. Некоторые примеры включают алнико и материалы для хранения водорода в никель-металлогидридных батареях. Ni ₃ Al, который является упрочняющей фазой в знакомых никелевой основе жаропрочных сплавов, а также различный титан алюминиды также привлекли интерес для лопаток турбины приложений, в то время как последний также используются в очень небольших количествах для измельчения зерна из титановых сплавов . Силициды, интерметаллические соединения с участием кремния, используются в качестве барьерных и контактных слоев в микроэлектронике .

Физические свойства интерметаллидов

Интерметаллическое соединение	Температура плавления (° C)	Плотность (кг / м 3 )	Модуль Юнга (ГПа)
FeAl	1250–1400	5600	263
Ti 3 Al	1600	4200	210
MoSi 2	2020 г.	6310	430

Примеры

1. Магнитные материалы, например алнико, сендаст, Permendur, FeCo, Terfenol-D
2. Сверхпроводники, например фазы A15, ниобий-олово
3. Хранение водорода, например, соединения AB ₅ ( никель-металлогидридные батареи )
4. Сплавы с памятью формы, например Cu-Al-Ni (сплавы Cu ₃ Al и никеля), нитинол (NiTi)
5. Материалы покрытия, например, NiAl
6. Высокотемпературные конструкционные материалы, например алюминид никеля, Ni ₃ Al
7. Стоматологические амальгамы, представляющие собой сплавы интерметаллидов Ag ₃ Sn и Cu ₃ Sn.
8. Контакт затвора / барьерный слой для микроэлектроники, например TiSi ₂
9. Лавеса фаз (AB ₂ ), например, MgCu ₂, MGZN ₂ и MgNi ₂ .

Образование интерметаллидов может вызвать проблемы. Например, интерметаллиды золота и алюминия могут быть серьезной причиной нарушений соединения проводов в полупроводниковых устройствах и других устройствах микроэлектроники . Управление интерметаллическими соединениями является серьезной проблемой в обеспечении надежности паяных соединений между электронными компонентами.

Определения

Определение исследования

Шульце в 1967 году определил интерметаллические соединения как твердые фазы, содержащие два или более металлических элемента, необязательно с одним или несколькими неметаллическими элементами, кристаллическая структура которых отличается от кристаллической структуры других составляющих. В это определение входят:

1. Электрон (или Хьюм-Ротери ) соединения
2. Фазы упаковки размера. например Фазы Лавеса, Фазы Франка – Каспера и Новотные фазы
3. Фазы Zintl

Считается, что определение металла включает:

1. постпереходные металлы, т.е. алюминий, галлий, индий, таллий, банка, вести, и висмут.
2. металлоиды, например кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур.

Однородный и неоднородный твердые растворы металлов, и интерстициальные соединения (такие как карбиды и нитриды ), исключаются из этого определения. Однако сюда входят интерметаллические соединения внедрения, а также сплавы интерметаллических соединений с металлом.

Общего пользования

Обычно используется определение исследования, включая постпереходные металлы и металлоиды, расширен, чтобы включать такие соединения, как цементит, Fe₃C. Эти соединения, иногда называемые интерстициальные соединения, может быть стехиометрический и обладают свойствами, аналогичными интерметаллическим соединениям, определенным выше.

Комплексы

Термин интерметаллид используется для описания соединений, включающих два или более металлов, таких как циклопентадиенильный комплекс Cp₆Ni₂Zn₄.

Би 2

А интерметаллическое соединение имеет равное количество атомов двух металлов, таких как алюминий и железо, расположенных как две взаимопроникающие простые кубические решетки составляющих металлов.